Kalorimetri

Niin kutsuttu pommikalorimetri.

Kalorimetri on laite, jolla mitataan kemiallisen reaktion lämpömäärä ja määritetään aineiden ominaislämpökapasiteetti. Kalorimetriä käytetään kemiallisessa reaktiossa vapautuvien tai sitoutuvien lämpömäärien mittaamiseen. Kalorimetrillä voidaan määrittää esimerkiksi sulamis- tai höyrystymislämpötiloja. Kalorimetrin toiminta perustuu aineen luovuttaman lämmön mittaamiseen lämpötilan muutoksen avulla. Lämpömäärän kaava on:

Q = mc(T₂-T₁)

  = mc△T  

Lämpömäärä voidaan selvittää myös ainemäärän n avulla:

Q = nc△T

jossa q on lämpömäärä jouleina, m on massa grammoina, n on ainemäärä mooleina, c on ominaislämpökapasiteetti yksikössä J/(KˑKg) tai  J/(Kˑmol) ja T kalorimetrissä tapahtuva lämpötilan muutos yksikössä C° tai K.

Esimerkki kalorimetristä: pommikalorimetri

Historia

Vuonna 1761 Joseph Black teki kokeita joissa hän tutki, että lämmön lisääminen jäälle sen sulamispisteessä tai veteen sen kiehumispisteessä ei aiheuta lämpötilan muutosta.

Hänen havaintonsa prosessissa siirtyvästä energiasta  ja ominaislämmön määritelmästä merkitsivät termodynamiikan syntyä. Black oli ensimmäinen tiedemies, joka teki eron lämmön ja lämpötilan välillä.

Marcellin Pierre Berthelot

Tämän jälkeen ensimmäisen primitiivisen kalorimetrin kehittivät Antoine Lavoisier (1743-1793) sekä Pierre-Simon Laplace (1749-1827) vuonna 1780. Lavoisier hyödynsi ensimmäisissä tutkimuksessaan koe-eläimestä, jonka asetti jäiseen astiaan. Jäinen astia asetettiin sisäkkäin toisen lunta sisältävän astian kanssa, joka toimi eristeenä jäälle. Lavoisier keräsi kilon verran sulanutta jäätä ja laski kuinka paljon energiaa koe-eläimestä tarvittiin sen sulattamiseen.

Myöhemmin 1860-luvulla Ranskalainen kemisti Marcellin Pierre Eug’ne Berthelot (1827-1907) rakensi ensimmäisen modernin kalorimetrin. Eroja primitiiviseen kalorimetriin on muun muassa lämpömittari sekä sekoitin. Lisäksi Berthelot määritteli endotermisen ja eksotermisen reaktion periaatteet.

Kahvikuppikalorimetri

Kahvikuppikalorimetri

Yksinkertaisimmillaan vakiopainekalorimetri voidaan rakentaa kahdesta eristävästä kupista, jotka sijoitetaan sisäkkäin ja peitetään kannella. Kannen läpi laitetaan lämpömittari ja sekoitin. Ulompi kuppi toimii eristeenä ja esimerkiksi yhdisteet, joiden välistä kemialliseen reaktioon liittyvää lämpömäärää tutkitaan, sijoitetaan sisempään kuppiin. Reaktion tapahtuessa seurataan lämpömittarin osoittamaa lämpötilan muutosta.Tällä toimintaperiaatteella toimivilla laitteilla voidaan tutkia vakiopaineessa tapahtuvia liuosreaktioita.

Adiabaattinen kalorimetri

Adiabaattisilla olosuhteilla tarkoitetaan prosessia, jossa lämpöä siirtyy systeemiin tai siitä pois ainoastaan mekaanisen työn kautta. Tämä perustuu termodynamiikan ensimmäiseen pääsääntöön, jonka mukaan energiaa ei koskaan häviä vaan se muuttaa muotoaan tai siirtyy paikasta toiseen.

Adiabaattisen kalorimetrin laitteisto rakentuu tyhjiöpumpusta, tyhjiöläpiviennistä, etanolikylvystä, ruostumattomasta teräksestä valmistetusta suojasta, johtojen lämpöankkuroinnista, kullatusta säteilysuojasta, kuparilohkosta lämpömittareilla ja kuparin TPW (tyre pressure warning) kennosta.

Esimerkiksi ketjureaktioita voidaan tutkia adiabaattisen kalorimetrin avulla. Mittaustuloksista voidaan määrittää aineiden haitallisuutta, suorittaa lämpömittauksia ja esimerkiksi tutkia tulipaloihin vaikuttavia tekijöitä. Tulos ei kuitenkaan aina ole täysin luotettava, koska lämpöä vuotaa ulos systeemistä.

Reaktiokalorimetri

Energian sitoutumista ja vapautumista kemiallisen reaktion johdosta voidaan tarkastella reaktiokalorimetrin avulla. Tällöin saadaan määritettyä lämpösäteilyssä vapautuvan lämmön maksimi määrä. Tutkimustuloksia hyödynnetään erilaisten kemikaalien ja lääkeaineiden kehittämiseen.

Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria

Differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa hyödynnetään biokemiallisten reaktioiden sekä biomolekyylien ja polymeerien tutkimisessa.   Näiden lisäksi synteettisiä polymeerien, kuten muovien tai kumien, ominaisuuksia voidaan tutkia pyyhkäisykalorimetrian avulla.

Erilaisia kalorimetrejä

Fastscan -kalorimetri

Fastscan -kalorimetri on uusi ja nopeasti kehittyvä teknologia. Laitteisto kykenee skannaamaan näytettä suuremmissa lämpötiloissa, kun tavanomainen pyyhkäisykalorimetri lukee lämpötilaa suhteessa aikaan arviolta 0,1-500 K/min. Näytteen skannaukseen kuluu huomattavasti vähemmän aikaa sekä näytettä voidaan ottaa erittäin pieni määrä tutkittavaksi.

Lämpötilamoduloitu-kalorimetri

Lämpötilamoduloitu -kalorimetri on “fastscan”- laitteiston tavoin uusi ja kehittyvä tekniikka. Lämpötilan säätelyssä hyödynnetään sinimuotoista lämpötilan vaihtelua arviolta taajuudella 0,001-0,1 Hz. Laitteiston tarkoituksena on havaita herkästi lämpötilan vaihtelut.

Pommikalorimetri

Pommikalorimetri on vakiotilavuuksinen kalorimetri, joka mittaa reaktion lämpötilan muutosta. Sen avulla saadaan esimerkiksi määritettyä polttoaineen lämpöarvo. Pommikalorimetrit on rakennettu kestämään kalorimetrissä syntyvän suuren paineen, joka aiheutuu kun polttoaine palaa. . Pommikalorimetrillä mitataan lämpötilan muutos, kun aine reagoi hapen kanssa. Tämän mittauksen tulosten avulla voidaan vertailla eri materiaaleja ja energialähteitä, ja arvioida niiden soveltuvuutta esimerkiksi polttoaineiksi tai sähköntuotantoon.

Pommikalorimetri

Pommikalorimetrillä voidaan tutkia myös palavien materiaalien lämpökemiallisia ominaisuuksia, kuten reaktionopeutta ja palamisentalpiaa.

Pommikalorimetrin rakenne

Pommikalorimetri koostuu kolmesta pääkomponentista: eristetystä säiliöstä, suljetusta säiliöstä, jossa palaminen tapahtuu, sekä lämpömittarista. Eristetty säiliö estää lämmön karkaamisen ja säilyttää palavan materiaalin suljetussa astiassa. Lämpömittari mittaa näytteen lämpötilaa reaktion aikana ja antaa tarkan lukeman vapautuneesta energiasta. Happisylinteri on kiinnitettynä kalorimetriin ja antaa happea palamista varten. Tämä varmistaa, että näyte säilyttää tasaisen palamisnopeuden, mikä mahdollistaa tarkat lukemat reaktion aikana vapautuvasta energiasta.

Lähteet

• Fysiikan kurssimateriaali, ominaislämmön määritys. (Arkistoitu – Internet Archive)
• Motiva oy Uusiutuvien energialähteiden lämpöarvoja. (Arkistoitu – Internet Archive)