Что такое калориметр?

Что такое калориметр?

Калориметр — это устройство, предназначенное для измерения тепла, выделяемого в химических реакциях.

Калориметры могут количественно определять тепло, выделяемое в ходе химических реакций, процессов горения и фазовых переходов. Существует три основных типа калориметров: адиабатические калориметры, изотермические настенные калориметры и изотермические калориметры.

В обрабатывающей промышленности, где происходит масштабное нагревание сырья, химическое смешивание и реакции, по соображениям безопасности крайне важно точно определить количество тепла, выделяемого в ходе этих процессов. Калориметры играют важную роль в анализе тепла, выделяемого на каждом этапе.

Применение калориметров

1. Сбор данных по безопасности и предотвращению катастроф

Калориметры являются важными инструментами для сбора данных по безопасности и предотвращению катастроф на производственных предприятиях, где химические реакции обрабатываются в больших масштабах. Учитывая потенциальные риски, связанные со значительным выделением тепла во время процессов, калориметрия используется для оценки потенциальных опасностей в определенных реакциях и процессах.

2. Анализ температур пиролиза материалов

Калориметры также находят применение при изучении фазовых переходов полимеров и неорганических материалов, а также при оценке теплотворных способностей, полученных в ходе термического разложения, с использованием таких методов, как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Исследователи используют калориметры для измерения температур фазовых переходов, которые различаются в зависимости от химической и кристаллической структуры соединений.

Принцип калориметров

Калориметры — это устройства, предназначенные для измерения тепла, выделяемого в ходе реакции. Помимо химических реакций, растворение, смешивание и фазовые переходы соединений могут либо выделять, либо поглощать тепло в реакционной системе.

Тепло, которое необходимо измерить, заменяется веществом с известной теплоемкостью внутри калориметра, и измеряется полученное изменение температуры. В качестве альтернативы температура поддерживается постоянной, а теплотворная способность определяется на основе количества скрытой теплоты, выделяемой при плавлении.

1. Адиабатический калориметр

В адиабатическом калориметре тепло, выделяемое образцом, не рассеивается через внешние стенки, а полностью направляется на изменение температуры контейнера для образца. Достижение теплоизоляции подразумевает поддержание как температуры контейнера для образца, так и окружающей внешней стенки на одном уровне с понижением давления менее чем на 10-4 Па.

2. Изотермический настенный калориметр

В изотермическом калориметре с настенным изотермическим сосудом образец, подвергающийся изменению температуры, помещается в изотермический сосуд, поддерживаемый при постоянной температуре, что сводит к минимуму теплообмен между двумя сосудами. Между ними поддерживается зазор, заполненный воздухом для сосудов с высокой теплоемкостью и вакуумом для сосудов с низкой теплоемкостью. Это обеспечивает стабильные внешние температурные условия и позволяет происходить термическим изменениям внутри образца. Теплотворная способность определяется путем анализа кривой зависимости температуры от времени с учетом поправки на утечку тепла для учета кажущихся изменений температуры.

3. Изотермический калориметр

Например, в случае изотермического калориметра с фазовым переходом, когда две фазы вещества сосуществуют при определенной температуре, тепло передается из одной фазы в другую. Калориметр количественно определяет это тепло, измеряя изменения объема, которые происходят во время передачи. Калориметры также определяют теплотворную способность, измеряя изменения объема газа или изменения веса.

Типы калориметров

В малых масштабах, например, в лабораторных пробирках, тепло, выделяемое химическими реакциями, редко является проблематичным. Однако, когда реакции проводятся в больших масштабах, например, в промышленных условиях, включающих десятки или сотни литров, существует риск неконтролируемых реакций или взрывов из-за значительного выделения тепла.

Поэтому калориметры незаменимы для анализа тепла, выделяемого в каждом процессе. Доступны различные типы калориметров для различных применений.

1. Оценка безопасности процесса

В контексте оценки безопасности процесса калориметры используются для измерения тепла, выделяемого в ходе реакционных процессов в системах, имитирующих реакционные сосуды на промышленных предприятиях.

2. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) используется для оценки материалов путем измерения тепла, выделяемого при различных температурах в небольших образцах. Температуры фазового перехода или разложения можно анализировать на основе точки перегиба или пика количества тепла относительно температуры.

3. Калориметрия с ускорением (АРК)

Калориметры также полезны для анализа неуправляемых реакций. Калориметр с ускоренной скоростью (ARC) измеряет теплотворную способность и создаваемое давление соединений, которые выделяют тепло при разложении, что может привести к неконтролируемым реакциям.