Thermodynamique.
Transformation de l'énergie

Énergie thermique I de combustion.
Effets de la thermodynamique

Entropie

Calorimètre

Calorimètre

Un calorimètre est un appareil permettant de mesurer la quantité de chaleur libérée ou absorbée par tout processus physique, chimique ou biologique.

Les calorimètres modernes fonctionnent dans une plage de température allant de 0,1 à 3 500 kelvins et vous permettent de mesurer la quantité de chaleur avec une précision de 0,01 à 10%. La disposition des calorimètres est très diverse et dépend de la nature et de la durée du processus étudié, de la plage de températures à laquelle les mesures sont effectuées, de la quantité de chaleur mesurée et de la précision requise.

En thermodynamique, les calorimètres sont utilisés pour mesurer l'enthalpie d'un processus thermodynamique.

Calorimètres et énergie solaire

L'une des applications des calorimètres dans le domaine de l'énergie solaire se trouve dans les systèmes d'énergie solaire thermique. Ces appareils sont importants pour calculer l'efficacité thermique dans les systèmes de chauffage et la production d'eau chaude sanitaire.

Le calorimètre, dans une installation de chauffage, est un appareil installé dans chaque radiateur et qui mesure deux températures: celle de la surface de celle-ci et celle de l'environnement de la pièce, calculant la consommation à l'aide de ces données et en fonction des caractéristiques et taille du radiateur

Types de calorimètres

Un calorimètre conçu pour mesurer la quantité totale de chaleur Q libérée pendant le processus, de son début à sa fin, est appelé un calorimètre intégrateur.

Le calorimètre permet de mesurer la puissance thermique et ses variations à différents stades du processus thermodynamique, à l'aide d'un wattmètre ou d'un oscillomètre-calorimètre. La conception du système calorimétrique et la méthode de mesure distinguent les calorimètres liquides et massifs, simples et doubles (différentiels).

Calorimètre à intégration liquide

Un intégrateur de calorimètre à liquide à température variable à couverture isotherme est utilisé pour mesurer les chaleurs de dissolution et les chaleurs de réactions chimiques, ou l'énergie chimique. Il consiste en un récipient contenant un liquide (généralement de l'eau) dans lequel se trouvent: une chambre permettant de réaliser le processus à l'étude ("pompe calorimétrique"), un agitateur, un appareil de chauffage et un thermomètre. La chaleur libérée dans la chambre est ensuite répartie entre la chambre, le liquide et les autres parties du calorimètre, dont la totalité est appelée système calorimétrique du dispositif.

Dans les calorimètres à liquide, la température isotherme de la couverture reste constante. Lors de la détermination de la chaleur d'une réaction chimique, les plus grandes difficultés sont souvent associées non pas à la prise en compte de processus secondaires, mais à la détermination de l'intégrité de la réaction et à la nécessité de prendre en compte plusieurs réactions.

Mesures calorimétriques

Un changement d'état (par exemple, la température) du système calorimétrique vous permet de mesurer la quantité de chaleur introduite dans le calorimètre. Le chauffage du système calorimétrique est enregistré avec un thermomètre. Avant de prendre des mesures, le calorimètre est calibré: la variation de température du système calorimétrique est déterminée lorsqu'une quantité de chaleur connue lui est communiquée (par un calorimètre ou suite à une réaction chimique dans la chambre avec une quantité connue de substance standard).

Suite à l'étalonnage, on obtient la valeur thermique du calorimètre, c'est-à-dire le coefficient par lequel le changement de température du calorimètre mesuré par le thermomètre doit être multiplié pour déterminer la quantité de chaleur qui y est introduite. La valeur thermique d'un tel calorimètre est la capacité calorifique du système calorimétrique. La détermination du pouvoir calorifique inconnu ou d'une autre réaction de la thermodynamique chimique Q est réduite pour mesurer le changement de température Δ t du système calorimétrique provoqué par le processus étudié: Q = c Δt. Typiquement, la valeur Q fait référence à la masse de la substance dans la chambre du calorimètre.

Processus secondaires dans les mesures calorimétriques

Les mesures calorimétriques permettent de déterminer directement uniquement la somme des chaleurs du processus étudié et de plusieurs processus secondaires, tels que le mélange, l'évaporation de l'eau, la rupture d'un flacon avec une substance, etc. La chaleur des processus secondaires doit être déterminée empiriquement ou par calcul et exclue du résultat final.

L'un des processus thermodynamiques secondaires inévitables est l'échange de chaleur du calorimètre avec l'environnement par rayonnement et par conductivité thermique. Pour tenir compte des processus secondaires et surtout du transfert de chaleur, le système calorimétrique est entouré d'une coque dont la température est contrôlée.

Calorimètre d'intégration isothermique

Dans l'étude de la thermodynamique, il existe un autre type de calorimètre intégratif: isotherme (température constante), la chaleur introduite ne modifie pas la température du système calorimétrique, mais provoque une modification de l'état d'agrégation du corps qui fait partie de ce système (par exemple glace fondant dans le calorimètre de glace de Bunsen).

La quantité de chaleur introduite est calculée dans ce cas par la masse de la substance qui a modifié l'état d'agrégation (par exemple, la masse de glace fondue pouvant être mesurée par la variation du volume du mélange de glace et d'eau). et la chaleur de la transition de phase.

Calorimètre intégratif de masse

Un calorimètre intégratif massif est utilisé plus fréquemment pour déterminer l'enthalpie de substances à des températures élevées (jusqu'à 2500 degrés Celsius). Le système calorimétrique de ce type de calorimètre est un bloc métallique (généralement en cuivre ou en aluminium) percé de trous pour le récipient dans lequel la réaction a lieu, pour le thermomètre et le réchauffeur.

L'enthalpie d'une substance est calculée comme le produit de la valeur thermique du calorimètre par la différence d'augmentation de la température du bloc, mesurée après la chute d'un blister contenant une certaine quantité de substance dans son nid, puis un blister vide chauffé à la même température

Flux de labyrinthe calorimètre

La capacité thermique des gaz, et parfois des liquides, est déterminée dans le soi-disant. Calorimètres à labyrinthe: en fonction de la différence de température à l'entrée et à la sortie d'un flux fixe de liquide ou de gaz, de la puissance de ce flux et de la chaleur en joules émise par le radiateur électrique du calorimètre.

Calorimètre - compteur de puissance

Un calorimètre qui fonctionne comme un compteur de puissance, contrairement à un calorimètre intégrateur, doit avoir un échange de chaleur important de sorte que les quantités de chaleur introduites dans celui-ci soient rapidement éliminées et que l'état du calorimètre soit déterminé par la valeur instantanée de la puissance. du processus thermique. La puissance thermique du processus se trouve dans l'échange thermique du calorimètre avec le boîtier.

Ces calorimètres, développés par le physicien français E. Calvet, sont un bloc métallique avec des canaux dans lesquels sont placées les cellules cylindriques. Dans la cellule, le processus étudié est effectué; un bloc métallique joue le rôle d'une coque (sa température reste constante avec une précision de 10 -5 -10 -6 K) La différence de température entre la cellule et l'unité est mesurée par une thermopile pouvant comporter jusqu'à 1000 joints. L'échange de chaleur entre la cellule et les champs électromagnétiques de la thermopile est proportionnel à la faible différence de température qui apparaît entre l'unité et la cellule lorsque la chaleur est libérée ou absorbée.

Très souvent, deux cellules sont placées dans le bloc, qui fonctionnent comme un calorimètre différentiel: la thermopile de chaque cellule a le même nombre de joints et, par conséquent, la différence de son champ électromagnétique vous permet de déterminer directement la différence de puissance. du flux de chaleur entrant dans les cellules.

Cette méthode de mesure élimine la distorsion de la valeur mesurée par les fluctuations aléatoires de la température du bloc. En général, deux piles thermiques sont montées dans chaque cellule: l'une permet de compenser la puissance thermique du processus étudié en fonction de l'effet Peltier et l'autre (indicateur) sert à mesurer la partie non compensée du flux de chaleur. Dans ce cas, l'appareil fonctionne comme un calorimètre à compensation différentielle. À la température ambiante, les calorimètres mesurent la puissance thermique des processus avec une précision de 1 μW.

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Dernier examen: 26 septembre 2019