- Histoire du calorimètre
- les pièces
- Types et leurs caractéristiques
- La tasse de café
- La bombe calorimétrique
- Le calorimètre adiabatique
- Le calorimètre isopéribol
- Le calorimètre à flux
- Le calorimètre pour la calorimétrie différentielle à balayage
- Applications
- En physicochimie
- Dans les systèmes biologiques
- Calorimètre de pompe à oxygène et puissance calorique
- Références
Le calorimètre est un appareil utilisé pour mesurer le changement de température d'une quantité de substance (généralement de l'eau) de chaleur spécifique connue. Ce changement de température est dû à la chaleur absorbée ou libérée dans le procédé étudié; chimique s'il s'agit d'une réaction, ou physique s'il s'agit d'un changement de phase ou d'état.
Dans le laboratoire, le calorimètre le plus simple que l'on puisse trouver est celui du verre à café. Il est utilisé pour mesurer la chaleur absorbée ou libérée dans une réaction à pression constante, en solution aqueuse. Les réactions sont choisies pour éviter l'intervention de réactifs ou de produits gazeux.
Source: Par Ichwarsnur, de Wikimedia Commons Dans une réaction exothermique, la quantité de chaleur dégagée peut être calculée à partir de l'augmentation de la température du calorimètre et de la solution aqueuse:
Quantité de chaleur dégagée lors de la réaction = quantité de chaleur absorbée par le calorimètre + quantité de chaleur absorbée par la solution
La quantité de chaleur absorbée par le calorimètre s'appelle la capacité thermique du calorimètre. Ceci est déterminé en fournissant une quantité connue de chaleur au calorimètre avec une masse d'eau donnée. Ensuite, l'élévation de température du calorimètre et de la solution qu'il contient est mesurée.
Avec ces données et l'utilisation de la chaleur spécifique de l'eau (4,18 J / g.ºC), la capacité calorique du calorimètre peut être calculée. Cette capacité est également appelée constante du calorimètre.
Par contre, la chaleur gagnée par la solution aqueuse est égale à m · ce · Δt. Dans la formule m = masse d'eau, ce = chaleur spécifique de l'eau et Δt = variation de température. Sachant tout cela, on peut alors calculer la quantité de chaleur dégagée par la réaction exothermique.
Histoire du calorimètre
En 1780, AL Lavoisier, chimiste français, considéré comme l'un des pères de la chimie, utilise un cobaye pour mesurer la production de chaleur par sa respiration.
Comment? Utilisation d'un appareil similaire à un calorimètre. La chaleur produite par le cobaye était mise en évidence par la fonte des neiges qui entourait l'appareil.
Les chercheurs A. L. Lavoisier (1743-1794) et PS Laplace (1749-1827) ont conçu un calorimètre utilisé pour mesurer la chaleur spécifique d'un corps par la méthode de la fonte de la glace.
Le calorimètre se composait d'une coupelle cylindrique en étain verni, supportée par un trépied et terminée intérieurement par un entonnoir. À l'intérieur, un autre verre a été placé, similaire au précédent, avec un tube qui passait à travers la chambre extérieure et était équipé d'une clé. À l'intérieur du deuxième verre se trouvait un support.
L'être ou l'objet dont la chaleur spécifique devait être déterminée était placé sur cette grille. De la glace était placée à l'intérieur des verres concentriques, comme dans le panier.
La chaleur produite par le corps était absorbée par la glace, la faisant fondre. Et le produit d'eau liquide de la fonte de la glace a été collecté, ouvrant la clé de verre interne.
Et enfin, avec l'eau lourde, la masse de glace fondue était connue.
les pièces
Le calorimètre le plus utilisé dans les laboratoires d'enseignement de la chimie est le calorimètre dit à tasse à café. Ce calorimètre se compose d'un bécher, ou à la place, d'un récipient en matériau d'anime qui possède certaines propriétés isolantes. À l'intérieur de ce récipient, la solution aqueuse est placée avec le corps qui va produire ou absorber la chaleur.
Un couvercle en matériau isolant à deux trous est placé sur la partie supérieure du récipient. Dans l'un, un thermomètre est inséré pour mesurer les changements de température, et dans l'autre un agitateur, de préférence en verre, qui remplit la fonction de déplacer le contenu de la solution aqueuse.
L'image montre les pièces d'un calorimètre à bombe; cependant, on voit qu'il possède le thermomètre et l'agitateur, éléments communs à plusieurs calorimètres.
Types et leurs caractéristiques
La tasse de café
C'est celui qui est utilisé dans la détermination de la chaleur dégagée par une réaction exothermique, et de la chaleur absorbée dans une réaction endothermique.
De plus, il peut être utilisé pour déterminer la chaleur spécifique d'un corps; c'est-à-dire la quantité de chaleur qu'un gramme de substance doit absorber pour élever sa température d'un degré Celsius..
La bombe calorimétrique
Il s'agit d'un appareil dans lequel la quantité de chaleur dégagée ou absorbée lors d'une réaction qui se produit à volume constant est mesurée.
La réaction a lieu dans un récipient en acier solide (la pompe), qui est immergé dans un grand volume d'eau. Cela permet de limiter les changements de température de l'eau. Par conséquent, on suppose que les changements associés à la réaction sont mesurés à volume et température constants.
Cela indique qu'aucun travail n'est effectué lorsqu'une réaction est effectuée dans un calorimètre à bombe.
La réaction est déclenchée en fournissant de l'électricité via des câbles connectés à la pompe.
Le calorimètre adiabatique
Il se caractérise par une structure isolante appelée bouclier. Le bouclier est situé autour de la cellule où se produisent des changements de chaleur et de température. De même, il est connecté à un système électronique qui maintient sa température très proche de celle de la cellule, évitant ainsi le transfert de chaleur.
Dans un calorimètre adiabatique, la différence de température entre le calorimètre et son environnement est minimisée; ainsi que de minimiser le coefficient de transfert de chaleur et le temps d'échange de chaleur.
Ses parties se composent des éléments suivants:
-La cellule (ou conteneur), intégrée dans un système d'isolation au moyen duquel elle essaie d'éviter les pertes de chaleur.
-Le thermomètre, pour mesurer les changements de température.
-Un radiateur, connecté à une source de tension électrique contrôlable.
-Et le bouclier, déjà mentionné.
Dans ce type de calorimètre, des propriétés telles que l'entropie, la température de Debye et la densité électronique d'état peuvent être déterminées.
Le calorimètre isopéribol
C'est un appareil dans lequel la cellule de réaction et la pompe sont immergées dans une structure appelée enveloppe. Dans ce cas, la soi-disant veste est constituée d'eau, maintenue à une température constante.
La température de la cellule et de la pompe augmente à mesure que la chaleur est libérée pendant le processus de combustion; Mais la température de la chemise d'eau est maintenue à une température fixe.
Un microprocesseur contrôle la température de la cellule et de l'enveloppe, apportant les corrections nécessaires à la chaleur de fuite qui résulte des différences entre les deux températures.
Ces corrections sont appliquées en continu, et avec une correction finale, basée sur des mesures avant et après le test.
Le calorimètre à flux
Développé par Caliendar, il dispose d'un dispositif permettant de déplacer un gaz dans un conteneur à vitesse constante. En ajoutant de la chaleur, l'augmentation de la température du fluide est mesurée.
Le calorimètre à flux est caractérisé par:
- Une mesure exacte de la vitesse du débit constant.
- Mesure précise de la quantité de chaleur introduite dans le fluide à travers un réchauffeur.
- Une mesure précise de l'augmentation de température du gaz causée par l'apport d'énergie
- Une conception pour mesurer la capacité d'un gaz sous pression.
Le calorimètre pour la calorimétrie différentielle à balayage
Il se caractérise par la présence de deux conteneurs: dans l'un, l'échantillon à étudier est placé, tandis que l'autre est maintenu vide ou un matériau de référence est utilisé.
Les deux cuves sont chauffées à un taux d'énergie constant, au moyen de deux radiateurs indépendants. Lorsque les deux cuves commencent à chauffer, l'ordinateur trace la différence de flux thermique des appareils de chauffage par rapport à la température, déterminant ainsi le flux thermique.
En outre, la variation de la température en fonction du temps peut être déterminée; et enfin, la capacité calorique.
Applications
En physicochimie
-Les calorimètres de base, de type tasse à café, permettent de mesurer la quantité de chaleur qu'un corps dégage ou absorbe. En eux, vous pouvez déterminer si une réaction est exothermique ou endothermique. En outre, la chaleur spécifique d'un corps peut être déterminée.
-Avec le calorimètre adiabatique, il a été possible de déterminer l'entropie d'un processus chimique et la densité électronique de l'état.
Dans les systèmes biologiques
-Les microcalorimètres sont utilisés pour étudier les systèmes biologiques qui incluent les interactions entre les molécules, ainsi que les changements de conformation moléculaire qui se produisent; par exemple, dans le déploiement d'une molécule. La gamme comprend à la fois un balayage différentiel et un titrage isotherme.
-Le microcalorimètre est utilisé dans le développement de médicaments à petites molécules, de biothérapies et de vaccins.
Calorimètre de pompe à oxygène et puissance calorique
Dans le calorimètre à bombe à oxygène, la combustion de nombreuses substances se produit et sa valeur calorique peut être déterminée. Parmi les substances étudiées grâce à l'utilisation de ce calorimètre, on trouve: le charbon et le coke; huiles comestibles, lourdes et légères; l'essence et tous les carburants.
Ainsi que les types de carburants pour les avions à réaction; le combustible usé et l'élimination des déchets; produits alimentaires et compléments alimentaires pour la nutrition humaine; cultures fourragères et compléments alimentaires pour animaux; matériaux de construction; carburants et propulseurs pour fusées.
De même, le pouvoir calorique a été déterminé par calorimétrie dans les études thermodynamiques des matériaux combustibles; dans l'étude du bilan énergétique en écologie; dans les explosifs et les poudres thermiques et dans l'enseignement des méthodes thermodynamiques de base.
Références
- Whitten, Davis, Peck et Stanley. Chimie. (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
- González J., Cortés L. et Sánchez A. (nd). Calorimétrie adiabatique et ses applications. Récupéré de: cenam.mx
- Wikipédia. (2018). Calorimètre. Récupéré de: en.wikipedia.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juin 2018). Définition du calorimètre en chimie. Récupéré de: thinkco.com
- Gillespie, Claire. (11 avril 2018). Comment fonctionne un calorimètre? Découvrir. Récupéré de: scaimer.com