Что такое калориметр

Что такое калориметр

Калориметр — это прибор для измерения количества теплоты, которое выделяется или поглощается в тепловом процессе: при нагревании, остывании, плавлении, растворении или химической реакции. Простыми словами, калориметр — это «термос с термометром»: сосуд, надёжно защищённый от обмена теплом с окружающим воздухом, внутри которого тела обмениваются теплотой только друг с другом. По изменению температуры воды в калориметре вычисляют, сколько теплоты отдало или получило исследуемое тело.

Название происходит от латинского calor — «тепло» и греческого metreo — «измеряю». В школьном курсе физики 8 класса калориметр используют в лабораторных работах «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры» и «Измерение удельной теплоёмкости твёрдого тела».

Устройство калориметра

Школьный калориметр состоит из двух металлических стаканов, вставленных один в другой. Между ними — воздушная прослойка или пластиковые подставки, поэтому стаканы почти не касаются друг друга. Сверху — крышка с отверстиями для термометра и мешалки.

Точные лабораторные калориметры делают по тому же принципу, но с вакуумной рубашкой (как в термосе) и электронными датчиками температуры.

Как работает калориметр: принцип

В основе лежит уравнение теплового баланса: если система изолирована, то количество теплоты, отданное горячим телом, равно количеству теплоты, полученному холодным:

Q_отд = Q_пол, где Q = c · m · Δt

Здесь c — удельная теплоёмкость, m — масса, Δt — изменение температуры. Измерив массы и температуры, можно найти неизвестную величину — чаще всего удельную теплоёмкость тела или конечную температуру смеси.

Что измеряют калориметром

• Удельную теплоёмкость вещества (лабораторная работа 8 класса).
• Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива или пищи — так определяют калорийность продуктов, отсюда слово «калория» на упаковках.
• Теплоту плавления и парообразования.
• Тепловой эффект химических реакций — в химии.

Порядок опыта: определение удельной теплоёмкости тела

1. Взвесьте внутренний стакан калориметра, налейте в него воду и взвесьте снова — найдите массу воды m_в.
2. Измерьте начальную температуру воды t₁.
3. Нагрейте исследуемое тело (металлический цилиндр) в кипящей воде до t₂ = 100 °C; его массу m_т узнайте взвешиванием.
4. Быстро перенесите тело в калориметр, закройте крышку, помешивайте.
5. Дождитесь, когда температура перестанет расти, — это температура теплового равновесия t.
6. Запишите уравнение баланса: c_т · m_т · (t₂ − t) = c_в · m_в · (t − t₁).
7. Выразите c_т и сравните с табличным значением.

Разбор задачи

Задача. В калориметр с 200 г воды при 20 °C опустили стальной цилиндр массой 100 г, нагретый до 100 °C. Температура равновесия 24 °C. Найдите удельную теплоёмкость стали. Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°C).

Вода получила: Q = 4200 · 0,2 · (24 − 20) = 3360 Дж. Столько же отдала сталь: c · 0,1 · (100 − 24) = 3360, откуда c = 3360 : 7,6 ≈ 442 Дж/(кг·°C). Табличное значение — 460 Дж/(кг·°C); разница объясняется потерями теплоты в воздух и на нагрев самого стакана.

Задача на смешивание. В калориметре смешали 300 г воды при 80 °C и 200 г воды при 20 °C. Какая температура установится? Отдано горячей: 4200 · 0,3 · (80 − t); получено холодной: 4200 · 0,2 · (t − 20). Приравниваем: 0,3 · (80 − t) = 0,2 · (t − 20) → 24 − 0,3t = 0,2t − 4 → 0,5t = 28 → t = 56 °C.

Почему результат опыта отличается от таблицы

• Часть теплоты уходит в воздух и на нагрев стакана и термометра.
• Пока тело переносят из кипятка, оно успевает немного остыть.
• Вместе с телом в калориметр попадают капли горячей воды.
• Температуру снимают до того, как она окончательно установилась.

Чтобы уменьшить ошибку, опыт проводят быстро, воду перемешивают, а в точных расчётах учитывают теплоёмкость самого калориметра.

Калориметр и калория

Единица «калория» исторически определена именно через калориметр: 1 калория — количество теплоты, нужное, чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C; 1 кал ≈ 4,19 Дж. Калорийность продуктов на упаковках (в ккал) измеряют, сжигая порцию пищи в калориметрической бомбе и измеряя нагрев воды вокруг неё. В СИ количество теплоты измеряют в джоулях.

Частые ошибки

• Подставлять массу в граммах, а теплоёмкость — в Дж/(кг·°C); массу нужно перевести в килограммы.
• Брать Δt с неверным знаком: у горячего тела разность «начальная − конечная», у холодного — «конечная − начальная».
• Забывать, что в равновесии у всех тел в калориметре одна и та же температура.
• Считать калориметр «нагревателем» — он ничего не греет, только изолирует.

Кратко о главном

• Калориметр — прибор для измерения количества теплоты; по сути изолированный сосуд с термометром.
• Устройство: два стакана с воздушным зазором, крышка, термометр, мешалка.
• Принцип — уравнение теплового баланса Q_отд = Q_пол, где Q = c·m·Δt.
• С его помощью находят удельную теплоёмкость, температуру смеси, калорийность топлива и пищи.
• Результат всегда чуть меньше табличного из-за потерь теплоты в окружающую среду.