Nhiệt lượng kế là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại nhiệt lượng kế

Nhiệt lượng kế là thiết bị dùng để đo nhiệt lượng hoặc quá trình đo nhiệt lượng của các phản ứng hóa học, sự thay đổi vật lý hoặc nhiệt dung. Để giúp bạn hiểu rõ hơn nhiệt lượng kế là gì? Cấu trúc, phân loại và cách sử dụng, LabvietCHEM đã tổng hợp những thông tin liên quan trong bài viết dưới đây. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu nhé.

Hình ảnh bom đo nhiệt lượng IKA

Nhiệt lượng kế là gì?

Nhiệt lượng kế là thiết bị dùng để đo lượng nhiệt sinh ra khi đốt một mẫu được đặt trong môi trường giàu oxy bên trong một bình kín hay còn gọi là bom, được bao quanh bởi một lượng nước xác định.

Nguồn gốc của nhiệt lượng kế

– Thuật ngữ “nhiệt lượng kế” được Josef Black nhắc đến lần đầu tiên vào năm 1770.

– Đến năm 1780, Lavoisier và Laplace đã phát triển một trong những nhiệt lượng kế đầu tiên.

– Đến năm 1885, Marcellin Berthelot là người đã phát triển quy trình đốt mẫu trong bình chịu áp lực thành phương pháp tiêu chuẩn bằng cách sử dụng oxy tinh khiết ở áp suất cao hơn giúp quá trình đốt cháy diễn ra nhanh hơn và hoàn thiện hơn.

– Hugo Junkers – nhà phát minh và kỹ sư hàng không người Đức là người đầu tiên nhận được bằng sáng chế cho nhiệt lượng kế dùng để đo nhiệt trị của nhiên liệu khí vào năm 1892.

Nguyên lý hoạt động của nhiệt lượng kế

Người ta sử dụng năng lượng điện để đốt cháy mẫu. Khi mẫu cháy, nó sẽ làm nóng nước xung quanh quả bom. Nhờ đó, người vận hành có thể đo được sự thay đổi nhiệt độ của mẫu để tính toán nhiệt trị hoặc nhiệt dung của mẫu.

Những kết quả này, sau khi thu được, sẽ cho phép người thí nghiệm rút ra một số kết luận quan trọng về chất lượng, tính chất sinh lý, vật lý và hóa học của sản phẩm.

Cấu trúc của nhiệt lượng kế

Một nhiệt lượng kế đơn giản chỉ bao gồm một nhiệt kế gắn vào một thùng kim loại chứa đầy nước lơ lửng phía trên buồng đốt. Nhiệt lượng kế được cấu tạo gồm các bộ phận chính, bao gồm:

– Que khuấy

– Nhiệt kế

– Nắp

– Chai hai vỏ

– Tấm cách nhiệt

Các thành phần của nhiệt lượng kế

Hướng dẫn cách đo nhiệt lượng bằng nhiệt lượng kế

Bước 1: Cho một vật có khối lượng m1 (kg) ở nhiệt độ t1 (°C) có nhiệt dung riêng là c1 (J/kg.K).

Bước 2: Khi cân bằng nhiệt xảy ra, đo nhiệt kế để biết vật có nhiệt độ t2 (°C).

Bước 3: Sử dụng phương trình nhiệt lượng để tính nhiệt lượng.

Q = mc ∆t

Trong đó:

• Q là nhiệt lượng, đơn vị: Joule (J)
• m: Khối lượng của vật, đơn vị Kilôgam (Kg)
• c: Nhiệt dung riêng của chất tạo ra vật, đơn vị J/kg.K
• ∆t: Là độ tăng hoặc giảm nhiệt độ của một vật, đơn vị là °C hoặc K.

Ví dụ:

– Lấy khoảng 1g mẫu ở dạng rắn hoặc lỏng cho vào chén nung rồi cho vào bình inox đậy kín. Bình kín hoặc bom nhiệt lượng kế và nhiệt lượng kế chứa đầy oxy kỹ thuật (99,95%) ở áp suất 30 bar.

– Mẫu được đốt cháy bằng sợi bông nối với dây đánh lửa bên trong nhiệt lượng kế và bốc cháy.

– Trong quá trình đốt, nhiệt độ bên trong nồi nấu có thể tăng lên tới 1000°C dẫn đến áp suất tăng. Lúc này, toàn bộ chất hữu cơ đều bị đốt cháy và oxy hóa hoàn toàn.

– Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt mẫu có thể tính toán bằng phương pháp đoạn nhiệt, đẳng nhiệt hoặc động học

Phân loại nhiệt lượng kế

1. Nhiệt lượng kế đoạn nhiệt

– Với nhiệt lượng kế đoạn nhiệt, trong suốt quá trình thí nghiệm, nhiệt độ của bình cách nhiệt bên ngoài (T°v) và nhiệt độ của bình bom nhiệt lượng bên trong bằng nhau. Điều này có nghĩa là khả năng cách nhiệt gần như hoàn hảo.

– Khi sử dụng nhiệt lượng kế đoạn nhiệt, người vận hành không cần tính toán hiệu chỉnh.

2. Nhiệt lượng kế đẳng nhiệt

– Với nhiệt lượng kế đẳng nhiệt, trong suốt quá trình thí nghiệm, nhiệt độ của bình cách nhiệt bên ngoài (T°v) được duy trì và không thay đổi. Mọi tác động đến môi trường đều được giảm thiểu bằng cách duy trì nhiệt độ không khí trong nhà ổn định.

– Khi sử dụng nhiệt lượng kế đẳng nhiệt, việc cách nhiệt chưa hoàn thiện do quá trình truyền nhiệt giữa thùng bom nhiệt lượng kế và bể cách nhiệt còn ở mức nhỏ. Vì vậy, người thực hiện cần tính toán sự trao đổi nhiệt này với hệ số hiệu chỉnh gọi là hệ số Regnault – Pfaundler.

3. Nhiệt lượng kế động

– Đây là phiên bản rút gọn của chế độ đo đoạn nhiệt và/hoặc đẳng nhiệt. Kết quả đo bằng nhiệt lượng kế động vẫn phải tuân thủ tiêu chuẩn Độ lệch chuẩn tương đối (RSD).

Cách tính nhiệt dung riêng của một chất bằng nhiệt lượng kế

Nhiệt dung riêng là gì?

– Nhiệt dung riêng của một chất là đại lượng vật lý có giá trị được xác định bằng lượng nhiệt cần truyền cho một đơn vị khối lượng của chất đó để làm nhiệt độ tăng thêm 1°C.

– Trong hệ thống đo lường tiêu chuẩn quốc tế, đơn vị đo nhiệt dung riêng là Joule trên kilogam trên Kelvin, JÃkg−1^K−1 hoặc J/(kg·K), hoặc Joule trên mol trên Kelvin.

Cách tính nhiệt dung riêng của một chất bằng nhiệt lượng kế

Công thức 1: Gọi c là nhiệt dung riêng. Khi đó một vật có khối lượng m ở nhiệt độ t1 cần truyền một lượng nhiệt Q để tăng nhiệt độ của vật lên t2. Khi đó nhiệt dung riêng c được xác định theo công thức:

c = Q/ (m(t2 – t1))

Công thức 2: Giả sử vật rắn cần khảo sát có khối lượng m, nhiệt độ t và nhiệt dung riêng c. Cho chất rắn vào nhiệt lượng kế (có que khuấy) chứa nước ở nhiệt độ t1.

Gọi:

• m1 là khối lượng của nhiệt lượng kế và que khuấy.
• c1 là nhiệt dung riêng của chất dùng làm nhiệt lượng kế.
• m2 là khối lượng nước chứa trong nhiệt lượng kế.
• c2 là nhiệt dung riêng của nước.

Nếu t > t1 thì vật rắn tỏa nhiệt Q và nhiệt độ của vật giảm từ t xuống t2.

Q = mc(t – t2)

Lúc này nhiệt lượng kế que khuấy và nước sẽ nhận lượng nhiệt đó để tăng nhiệt độ từ t1 lên t2.

Q=(m1.c1 + m2.c2).(t2–t1)

Từ đó ta sẽ có:

C = (m1.c1 + m2.c2).(t2 – t1)/ (m.(t – t2))

– Nếu thể tích của hệ là 1 mol thì ta có nhiệt dung phân tử và ký hiệu là Cmol)

+ Nhiệt dung mol đẳng tích (ký hiệu Cv) là nhiệt dung được tính toán trong quá trình biến đổi khi thể tích của hệ không đổi. Công thức tính toán như sau:

Cv = δ.Qv / (n.dT)

+ Nhiệt dung mol đẳng cự (ký hiệu Cp) là nhiệt dung được tính toán trong quá trình biến đổi khi áp suất của hệ không đổi. Công thức tính toán như sau:

Cp = δ.Qp / (n.dT)

Nếu hai nhiệt dung được tính cho một đơn vị khối lượng, thì chúng ta sẽ có nhiệt dung riêng đẳng thể tích và nhiệt dung riêng đẳng áp. Nếu tính cho một mol, ta được nhiệt dung phân tử đẳng tích (nhiệt dung mol) và nhiệt dung phân tử đẳng áp (nhiệt dung mol). Các giá trị của nhiệt dung này được sử dụng cho các loại khí lý tưởng.

Trên đây là một số thông tin về Nhiệt lượng kế là gì? Cấu tạo, phân loại và cách sử dụng nhiệt lượng kế mà LabTrường Lê Hồng Phong muốn chia sẻ đến bạn đọc. Đặc biệt, với cách tính nhiệt dung riêng của một chất thông qua nhiệt lượng kế mà chúng tôi trình bày ở trên, các em có thể học thêm những kiến ​​thức bổ ích để vận dụng vào các bài tập vật lý liên quan.

Để đóng góp thêm ý kiến, đánh giá giúp bài viết hoàn thiện hơn, vui lòng để lại bình luận bên dưới. Chúng tôi chân thành cảm ơn bạn.

Xem thêm:

• Nhiệt là gì? Đặc điểm và công thức tính nhiệt lượng
• Cách tính đương lượng và định luật tương đương trong hóa học