История измерений

История изобретения калориметра

В 1780 г. французские ученые Антуан Лавуазье (1743 — 1794) и Пьер Симон Лаплас (1749 — 1827) предложили прибор для измерения удельных теплоемкостей, названный ими калориметром.

Калориметром был назван прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в физических, химических или биологических процессах.

Основу калориметра составляет теплоизолированный сосуд и калориметрическое тело, в котором поглощается или выделяется тепло.

Обычно калориметр, применяется для определения теплоемкости, теплоты испарения и теплоты сгорания. Прибор состоит из углеродной мишени, в которой происходит генерация вторичных частиц — нейтральных пионов, которые, распадаясь, формируют поток фотонов. Они регистрируются слоями детекторов, расположенных между поглотителями и свинца под мишенью. Измеряя количество вторичных частиц, можно определить энергию первичной. Чем больше слоёв детекторов, тем точнее измеряемая энергия.

В 1750 г. петербургский физик — Георг Рихман (1711 — 1753), работавший в содружестве с М. В. Ломоносовым, установил на опыте, что если смешать равные количества воды, имеющие различную температуру, то температура смеси будет равна среднему арифметическому температур частей. Эти опыты были повторены в 1772 г. Иоганном Вильке в Германии. Вильке ввел единицу измерения количества теплоты — калорию как количество теплоты, необходимой для изменения температуры единицы массы воды на один градус. Она сохранилась до наших дней.

Концепция теплорода конкурировала с молекулярно-кинетической теорией почти 100 лет — до середины XIX в., а понятия «количество теплоты», «теплоемкость», «калориметрия», «теплота плавления», «теплота парообразования» сохраняются до сих пор (слово «скрытая» только недавно исчезло со страниц учебников). Эти понятия приспособлены уже к молекулярно-кинетической теории.

С середины XIX в. развивается теория, которая получила название механической теории теплоты. Открытие закона сохранения энергии и успехи молекулярной теории привели к представлению о тепловых процессах как процессах передачи механического движения при столкновении молекул тел. Давление газов объяснялось, как передача количества движения частицами газа стенкам сосуда. Температуру начали связывать с интенсивностью движения частиц. Молекулы рассматривались как частицы, движение которых подчиняется законам классической механики. Отсюда терминология «механическая теория тепла».

Одновременно развиваются статистические представления. Больцман находит точную связь между средней энергией теплового движения частиц и температурой, вводя новую мировую константу, названную его именем.

Развитие статистической теории привело к представлению о тепловом движении как особой форме движения материи, которая не может быть сведена к механической. В природе действуют специфические статистические закономерности, которые имеют точные математические выражения, например распределения Максвелла, Больцмана, Ферми и т. д.

Развитие квантовой механики привело к уточнению наших представлений о взаимодействиях частиц при тепловом движении.

Чтобы обеспечить точность рассматриваемых физических понятий, следует подчеркивать исторические связи. Понятия количества теплоты, теплоемкости и т. д. неразрывно связаны с гипотезой теплорода. Нужно разъяснить, что гипотеза эта оставлена наукой, и мы вкладываем в традиционные понятия новый смысл. Поэтому, говоря о количестве теплоты, мы имеем в виду не количество чего-то материального, а количество энергии определенной формы. Эта специфическая форма энергии — энергия коллектива хаотически движущихся частиц. При нагревании она переходит от тела к телу или распространяется внутри тела, тогда мы говорим о теплопроводности. Солнечное тепло — это трансформированная в энергию теплового движения энергия электромагнитного излучения и т. д.

Современные калориметры

Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 до 3500 К и позволяют измерять количество теплоты с точностью до 10-2%. Устройство калориметров весьма разнообразно и определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых производятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью.

Типы калориметров

Калориметр, предназначенный для измерения суммарного количества теплоты Q, выделяющейся в процессе от его начала до завершения, называют калориметр-интегратором; Калориметр для измерения тепловой мощности L и её изменения на разных стадиях процесса — измерителем мощности или калориметр-осциллографом. По конструкции калориметрической системы и методу измерения различают жидкостные и массивные калориметры, одинарные и двойные (дифференциальные).