เครื่องวัดแคลอรี่ทำงานอย่างไร?

เครื่องวัดปริมาณความร้อนอาจฟังดูเหมือนอุปกรณ์วิทยาศาสตร์แฟนซี แต่จริงๆ แล้วเป็นอุปกรณ์วัดความร้อนที่ง่ายมาก ซึ่งคุณสามารถทำที่บ้านโดยใช้ถ้วยกาแฟสองแก้ว มักใช้ในการทดลองโครงงานวิทยาศาสตร์ โดยจะวัดปริมาณความร้อนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีหรือทางกายภาพ เช่น การถ่ายเทความร้อนหรือความร้อนจำเพาะของสาร

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

อุณหภูมิของของเหลวเปลี่ยนแปลงเมื่อได้รับหรือสูญเสียพลังงาน แคลอริมิเตอร์วัดมวลของของเหลวและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของเหลวเพื่อกำหนดปริมาณพลังงานที่ได้รับหรือสูญเสียโดยของเหลว

เครื่องวัดความร้อนมีภาชนะสองลำ: เรือชั้นนอกและภาชนะชั้นใน อากาศระหว่างเรือทั้งสองลำทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน ซึ่งหมายความว่าไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน (หรือน้อยที่สุด) ระหว่างสิ่งที่อยู่ภายในถังด้านในกับสภาพแวดล้อมภายนอก เครื่องวัดปริมาณความร้อนที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์มีวงแหวนไฟเบอร์ที่ทำจากวัสดุฉนวนเพื่อยึดภาชนะชั้นในไว้ตรงกลางของภาชนะชั้นนอก ประกอบด้วยเทอร์โมมิเตอร์เพื่อวัดอุณหภูมิของของเหลวในภาชนะชั้นใน และเครื่องกวนเพื่อกวนของเหลวและกระจายความร้อนไปทั่วภาชนะ การทำแคลอรีมิเตอร์ที่บ้านเป็นเรื่องง่ายด้วยถ้วยพอลิสไตรีน ฝาปิด เทอร์โมมิเตอร์ และเครื่องกวน อย่างไรก็ตาม เครื่องวัดปริมาณความร้อนแบบ "ถ้วยกาแฟ" ช่วยให้แลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อมรอบตัวได้มากขึ้น และให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำน้อยกว่า

หากปฏิกิริยาคายความร้อน (ปฏิกิริยาเคมีที่ปล่อยพลังงานด้วยแสงหรือความร้อน) เกิดขึ้นในสารละลายในเครื่องวัดปริมาณความร้อน สารละลายจะใช้ความร้อนซึ่งจะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากเกิดปฏิกิริยาดูดความร้อน (ปฏิกิริยาที่ดูดซับพลังงานจากสภาพแวดล้อม) สารละลายจะสูญเสียความร้อน ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิลดลง ความแตกต่างของอุณหภูมิ ร่วมกับความร้อนจำเพาะและมวลของสารละลาย ช่วยให้คุณคำนวณได้ว่าปฏิกิริยาใช้ความร้อนเท่าใด ตัวอย่างเช่น หากคุณวางทองแดงที่ร้อนไว้ในน้ำเย็นปริมาณหนึ่งภายในเครื่องวัดปริมาณความร้อน ความร้อนจะไหลจากทองแดงลงสู่น้ำ อุณหภูมิของทองแดงจะลดลงและอุณหภูมิของน้ำจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะมีอุณหภูมิเท่ากัน (สมดุลความร้อน) คุณจะไม่ได้รับหรือสูญเสียความร้อนในระหว่างกระบวนการ เนื่องจากเครื่องวัดความร้อนช่วยให้การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นระหว่างสารทั้งสองได้

ความร้อนจำเพาะคือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียสต่อกรัมของสาร ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามแต่ละสาร ตัวอย่างเช่น ความร้อนจำเพาะของน้ำคือ 1.00 แคลอรี/กรัม องศาเซลเซียส ในการหาค่าความร้อนจำเพาะของโลหะที่ไม่รู้จัก ให้วางชิ้นส่วนโลหะที่ให้ความร้อนในน้ำในภาชนะด้านในของเครื่องวัดความร้อน เมื่อคุณวัดอุณหภูมิสุดท้ายของทั้งโลหะและน้ำแล้ว เช่น อุณหภูมิสูงสุดที่น้ำไปถึง คุณจะคำนวณความร้อนจำเพาะของโลหะได้ ขั้นแรก คูณมวลของน้ำด้วยความร้อนจำเพาะของน้ำด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของน้ำ จากนั้นคูณมวลของโลหะด้วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโลหะ แบ่งคำตอบแรกของคุณด้วยคำตอบที่สองเพื่อสร้างความร้อนจำเพาะของโลหะ