Курсовая теория на тему Калориметрия. Определение тепловых эффектов

Содержание:

Введение 3
1. Характеристика термических свойств веществ 5
1.1. Характеристика термических свойств 5
1.2. Теплоемкость 7
1.3. Термическое расширение 8
1.4. Фазовые переходы 9
2. Измерение термических свойств веществ 12
2.1. Адиабатическая калориметрия 12
2.2. Калориметрия теплового потока 14
2.3. Сканирующая калориметрия 20
Заключение 24
Список использованной литературы 26

Введение:

Термоаналитические методы служат для исследования химических реакций, фазовых и других физико-химических превращений, происходящих под влиянием тепла в химических соединениях, или (в случае многокомпонентных систем) между отдельными соединениями. Термические процессы, будь то химические реакции, изменение состояния или превращение фазы, сопровождаются всегда более или менее значительным изменением внутреннего теплосодержания системы. Превращение влечет за собой поглощение тепла — эндотермическое превращение либо выделение тепла — экзотермическое превращение. Эти тепловые эффекты могут быть обнаружены методами термического анализа или дифференциально-термического анализа, которые успешно применяются в науке уже более ста лет [5].
На разных этапах развития физики термину „теплота” давали различные трактовки. Согласно современным научным представлениям в любом теле не может быть запасена и измерена независимо друг от друга тепловая, электрическая или кинетическая энергия. Эти различные формы энергии взаимосвязаны и могут переходить друг в друга.
Форма энергии, известная как теплота, связана только с обменом энергии между двумя или несколькими системами. Теплота всегда ассоциируется с тепловым потоком, что подчеркивает ее количественную природу. Таким образом, в количественном отношении теплота — это количество энергии, которое обменивается в течение данного временного интервала в форме теплового потока. Для измерения теплоты, выделяемой или поглощаемой в различных процессах, используются приборы, называемые калориметрами. „Калориметрия” означает измерение теплоты [8].
Целью работы является обоснование применения калориметрии для определения тепловых эффектов.
В соответствии с целью в работе поставлены такие задачи:
— дать характеристику термических свойств веществ (теплоемкости, термического расширения и фазовых переходов);
— описать измерение термических свойств веществ методом адиабатической калориметрии;
— описать измерение термических свойств веществ методом калориметрии теплового потока;
— описать измерение термических свойств веществ методом сканирующей калориметрии.
Объектом работы является калориметрия.
Предметом работы являются методики определения тепловых эффектов с применением калориметрии.
Теоретической и методологической базой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых по физической и термохимии, а также по физико-химическим методам анализа, материалы периодической печати.
Структура работы состоит введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.
Во введении рассматривается актуальность работы. Сформулированы цель, задачи работы, а также объект и предмет исследования.
В первой главе приводится общая характеристика термических свойств веществ (теплоемкости, термического расширения и фазовых переходов).
Во второй главе охарактеризовано измерение термических свойств веществ методом адиабатической калориметрии, методом калориметрии теплового потока и методом сканирующей калориметрии.
В заключении работы делаются выводы по исследуемой проблеме.

Заключение:

В своем развитии калориметрия как физико-химический метод исследования веществ и процессов достигла значительных успехов и стала важной областью науки.
Несомненным является тот факт, что прогресс в области электроники оказывает значительное влияние на дальнейшее развитие методов калориметрии, основанных на компенсации тепловых эффектов. Это относится и к калориметрам теплового потока, которые при всех своих недостатках обладают весьма важными достоинствами.
Принцип действия этих калориметров дает возможность успешно выполнять модельные расчеты с применением относительно простых эквивалентных электрических схем, эффективный анализ погрешностей и обработку полученных экспериментальных данных. Калориметры теплового потока с встроенными электрическими нагревателями без особых переделок в конструкции могут работать и как калориметры с компенсацией мощности.
Не вызывает сомнений и то, что в калориметрии найдут широкое распространение системы автоматической обработки данных на основе встроенных микропроцессорных систем. Такие системы дают возможность осуществлять автоматический контроль и регулирование различных параметров процесса (скорости нагревания, температуры, мощности нагревания и т.п.) с представлением результатов измерений в требуемой откорректированной форме.
Каких-либо значительных разработок в методологии калориметрии ожидать не приходится. Вероятно, трудно разрешимой проблемой по-прежнему остается разработка способов поддержания образца в подвешенном „бесконтактном” состоянии в ходе эксперимента. Решение проблемы бесконтактного подвода энергии, например с помощью лазерного луча, лимитируется отысканием способов точного измерения этой энергии.
Можно ожидать, что применение новых материалов и технологий расширит температурные возможности калориметров и обеспечит создание миниатюрных прецизионных калориметрических систем с четко определенными характеристиками, импульсным нагревом, очень малой постоянной времени и повышенной чувствительностью. Наконец, можно предвидеть, что для точной градуировки калориметров в качестве стандартных веществ сравнения будут использоваться, например, радиоактивные материалы.
Миниатюризация калориметров и создание агрегатированного комплекса калориметрических систем позволит экспериментатору в дальнейшем самому конструировать прибор для проведения необходимых термохимических исследований.

Фрагмент текста работы:

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
1.1. Характеристика термических свойств

Термодинамика оперирует четырьмя характеристическими функциями: внутренняя энергия (U), энтальпия (Н), энергия Гельмгольца (F) и энергия Гиббса (G). Все они, в свою очередь, зависят от четырёх термодинамических параметров: температуры (Т), давления (Р), объёма (V) и энтропии (S). Температура и давление — экстенсивные параметры, а энтропия и объём -интенсивные [7].
Для расчётов химических процессов и равновесий необходимо знать значения термодинамических функций и входящих в них параметров. Первые три параметра — Т, Р и V — могут быть непосредственно измерены. Энтропия не может быть измерена. Экспериментально можно определить только приращение энтропии: для изохорических (формула 1.1) и для изобарических условий (формула 1.2).

(1.1)
(1.2)

При фазовых переходах первого рода (изотермических) приращение энтропии определяется соотношением (формула 1.3):

(1.3)

где ΔН — энтальпия перехода.
Отсюда видно, что измерения теплоёмкостей веществ и энтальпий фазовых превращений принципиально важны для термодинамики, поскольку представляют необходимую экспериментальную информацию, которую нельзя получить иными способами [12].
Кроме изменения энтропии, химические реакции и фазовые переходы сопровождаются изменением объёма. При отсутствии фазовых переходов и химических реакций объём фазы является плавной функцией экстенсивных параметров Р и Т. Для описания такой зависимости используются коэффициент термического расширения (формула 1.4) и коэффициент изотермического сжатия (формула 1.5).