A kaloriméter olyan eszköz, amelyet a hőáram mérésére használnak kémiai reakció során. A kaloriméterek két leggyakoribb típusa a kávéscsésze kaloriméter és a bomba kaloriméter.
Kávéscsésze kaloriméter
Egy kávéscsésze hőmennyiségmérő lényegében egy fedéllel ellátott polisztirol (sztirol hab) csésze. A csészét részlegesen feltöltjük ismert mennyiségű vízzel, és egy hőmérőt vezetünk be a csésze fedelein keresztül úgy, hogy izzója a víz felszíne alatt legyen. Amikor a kávéscsésze kaloriméterben kémiai reakció zajlik, a reakció hőjét a víz felszívja. A vízhőmérséklet változása alapján kiszámítják a hőmennyiséget, amelyet felszívtak (az előállításhoz használt hőmennyiséget) termékek, így a víz hőmérséklete csökken) vagy fejlődött (a víz elveszik, így a hőmérséklete növekszik) a reakció.
A hőáramot a következő összefüggéssel kell kiszámítani:
q = (fajlagos hő) x m x Δt
Ahol q a hőáram, m is tömeg grammban, és Δt a hőmérséklet változása. A fajlagos hő az a hőmennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy 1 gramm anyag hőmérséklete 1 Celsius fok legyen. A víz fajsúlya 4,18 J / (g ° C).
Például vegyünk figyelembe egy kémiai reakciót, amely 200 gramm vízben megy végbe, 25,0 ° C kezdeti hőmérsékleten. A reakciót hagyjuk folytatódni a kávéscsésze kaloriméterben. A reakció eredményeként a víz hőmérséklete 31,0 C-ra változik. A hőáramot kiszámítják:
qvíz = 4,18 J / (g · ° C) x 200 g x (31,0–25,0 ° C)
qvíz = +5,0 x 103 J
A reakció terméke 5000 J hőt bocsát ki, amelyet a víz elveszített. Az entalpia változás, ΔH, a reakció nagysága megegyezik, de ellentétes a víz hőáramának jelével:
AHreakció = - (qvíz)
Emlékezzünk arra, hogy exoterm reakció esetén ΔH <0, qvíz pozitív. A víz elnyeli a reakcióból származó hőt és megnő a hőmérséklet. Endoterm reakcióhoz ΔH> 0, qvíz negatív. A víz hőt szolgáltat a reakcióhoz, és látható a hőmérséklet csökkenése.
Bomba kaloriméter
A kávéscsésze kaloriméter kiválóan alkalmas az oldat hőáramának mérésére, de nem használható olyan reakciókhoz, amelyek gázokkal járnak, mivel elmenekülnének a csészéből. A kávéscsésze kalorimétert sem lehet magas hőmérsékleti reakciókhoz használni, mert ezek megolvadnák a csészét. Bomba kaloriméterrel mérik a gázok hőáramát és a magas hőmérsékleti reakciókat.
A bomba kalorimétere ugyanúgy működik, mint a kávéscsésze kaloriméter, egy nagy különbséggel: Egy kávéscsésze kaloriméterben a reakció zajlik a vízben, míg a bomba kaloriméterében a reakció lezárt fémtartályban zajlik, amelyet a vízbe szigetelt tartályba helyeznek. A reakcióból származó hőáram átkerüli a lezárt tartály falait a vízbe. A víz hőmérsékleti különbségét ugyanúgy megmérjük, mint egy kávéscsésze kaloriméter esetében. A hőáram elemzése egy kicsit összetettebb, mint a kávéscsésze kaloriméternél volt, mivel a kaloriméter fém részeibe történő hőáramot figyelembe kell venni:
qreakció = - (qvíz + qbomba)
ahol qvíz = 4,18 J / (g ° C) x mvíz x Δt
A bomba rögzített tömeggel és fajlagos hővel rendelkezik. A bomba tömegét, szorozva a fajlagos hőjével, időnként kaloriméter állandónak nevezik, amelyet a C szimbólum jelöl, dózis egységgel per Celsius fok. A kaloriméter állandóját kísérletileg határozzuk meg, és kalorimetrától függően változik. Az hőáram a bomba:
qbomba = C x Δt
Amint a kaloriméter állandó ismert, a hőáram kiszámítása egyszerű kérdés. A bomba kaloriméterén belüli nyomás a reakció során gyakran megváltozik, tehát a hőáram nem lehet nagyságrendben azonos az entalpiaváltozással.