Οι χημικοί συχνά πρέπει να γνωρίζουν πόση θερμική ενέργεια απελευθερώνει ή απορροφά μια συγκεκριμένη αντίδραση. Αυτή η μέτρηση τους βοηθά να κατανοήσουν περισσότερα για το γιατί συμβαίνει η αντίδραση και τους βοηθά να κάνουν χρήσιμες προβλέψεις. Τα θερμόμετρα είναι όργανα που μετρούν την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται ή απορροφάται από το περιεχόμενο κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Είναι εύκολο να φτιάξετε ένα απλό θερμιδόμετρο, αλλά τα όργανα που χρησιμοποιούνται στα εργαστήρια είναι συνήθως πιο ακριβή.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Τα θερμόμετρα σας επιτρέπουν να μετρήσετε την ποσότητα θερμότητας σε μια αντίδραση. Οι κύριοι περιορισμοί τους είναι η απώλεια θερμότητας στο περιβάλλον και η άνιση θέρμανση.
Οι συναρτήσεις ενός θερμιδόμετρου
Βασικά, ένα θερμιδόμετρο μετρά την αλλαγή της θερμοκρασίας του θερμιδόμετρου και του περιεχομένου του. Μετά τη βαθμονόμηση του θερμιδόμετρου, ο φαρμακοποιός θα έχει ήδη έναν αριθμό που ονομάζεται σταθερά θερμιδόμετρου, ο οποίος δείχνει πόσο αλλάζει η θερμοκρασία του θερμιδόμετρου ανά ποσότητα θερμότητας που προστίθεται. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες και τη μάζα των αντιδρώντων, ο φαρμακοποιός μπορεί να καθορίσει πόση θερμότητα απελευθερώνεται ή απορροφάται. Είναι σημαντικό το θερμιδόμετρο να ελαχιστοποιεί το ρυθμό απώλειας θερμότητας προς τα έξω, καθώς η ταχεία απώλεια θερμότητας στον περιβάλλοντα αέρα θα παρακάμπτει τα αποτελέσματα.
Διαφορετικοί τύποι θερμιδόμετρων
Είναι εύκολο να φτιάξετε ένα απλό θερμιδόμετρο μόνοι σας. Χρειάζεστε δύο φλιτζάνια καφέ Styrofoam, ένα θερμόμετρο ή ένα καπάκι. Αυτό το θερμιδόμετρο φλιτζανιού καφέ είναι εκπληκτικά αξιόπιστο και ως εκ τούτου είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό των προπτυχιακών εργαστηρίων χημείας. Τα εργαστήρια φυσικής χημείας διαθέτουν πιο εξελιγμένα όργανα όπως "θερμιδόμετρα βόμβας". Σε αυτές τις συσκευές, τα αντιδραστήρια βρίσκονται σε ένα σφραγισμένο θάλαμο που ονομάζεται βόμβα. Μετά την ανάφλεξη ενός ηλεκτρικού σπινθήρα, η αλλαγή της θερμοκρασίας βοηθά στον προσδιορισμό της θερμότητας που χάθηκε ή αποκτήθηκε.
Βαθμονόμηση ενός θερμιδόμετρου
Για να βαθμονομήσετε ένα θερμιδόμετρο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια διαδικασία που μεταφέρει μια γνωστή ποσότητα θερμότητας, όπως η μέτρηση της θερμοκρασίας κάποιου ζεστού και κρύου νερού. Για παράδειγμα, μπορείτε να αναμίξετε κρύο και ζεστό νερό στο θερμιδόμετρο του φλιτζανιού του καφέ σας. Στη συνέχεια, μετράτε τη θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου και χρησιμοποιείτε γραμμική παλινδρόμηση για να υπολογίσετε την "τελική θερμοκρασία" του θερμιδόμετρου και του περιεχομένου του. Αφαιρώντας τη θερμότητα που αποκτήθηκε από το κρύο νερό από τη θερμότητα που χάθηκε από το ζεστό νερό αποδίδεται η θερμότητα που αποκτάται από το θερμιδόμετρο. Ο διαχωρισμός αυτού του αριθμού με την αλλαγή θερμοκρασίας του θερμιδόμετρου δίνει στο θερμιδόμετρο σταθερό, το οποίο μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σε άλλα πειράματα.
Περιορισμοί της θερμιδομετρίας
Κανένα θερμιδόμετρο δεν είναι τέλειο επειδή μπορεί να χάσει θερμότητα στο περιβάλλον του. Παρόλο που τα θερμιδόμετρα της βόμβας στα εργαστήρια έχουν μόνωση για να ελαχιστοποιήσουν αυτές τις απώλειες, είναι αδύνατο να σταματήσουμε κάθε απώλεια θερμότητας. Επιπλέον, τα αντιδραστήρια στο θερμιδόμετρο ενδέχεται να μην είναι καλά αναμεμιγμένα, γεγονός που οδηγεί σε άνιση θέρμανση και μια άλλη πιθανή πηγή σφάλματος στις μετρήσεις σας.
Εκτός από πιθανές πηγές σφαλμάτων, ένας άλλος περιορισμός περιλαμβάνει τα είδη των αντιδράσεων που μπορείτε να μελετήσετε. Για παράδειγμα, μπορεί να θέλετε να μάθετε πώς η αποσύνθεση του TNT απελευθερώνει θερμότητα. Αυτό το είδος αντίδρασης θα ήταν αδύνατο να μελετηθεί σε ένα θερμιδόμετρο φλιτζανιού καφέ και ίσως να μην είναι πρακτικό σε ένα θερμιδόμετρο βόμβας. Εναλλακτικά, μια αντίδραση μπορεί να λάβει χώρα πολύ αργά, όπως η οξείδωση του σιδήρου για να σχηματίσει σκουριά. Αυτό το είδος αντίδρασης θα ήταν πολύ δύσκολο να μελετηθεί με θερμιδόμετρο.