Calorimètre: histoire, pièces, types et leurs caractéristiques

Le calorimètre est un appareil utilisé pour mesurer le changement de température d'une quantité de substance (généralement de l'eau) de chaleur spécifique connue. Ce changement de température est dû à la chaleur absorbée ou libérée dans le processus étudié; chimique s'il s'agit d'une réaction ou physique s'il s'agit d'un changement de phase ou d'état.

En laboratoire, le calorimètre le plus simple que l'on puisse trouver est celui de la tasse à café. Il sert à mesurer la chaleur absorbée ou libérée dans une réaction à pression constante, en solution aqueuse. Les réactions sont sélectionnées pour éviter l’intervention de réactifs ou de produits gazeux.

Dans une réaction exothermique, la quantité de chaleur libérée peut être calculée à partir de l'augmentation de la température du calorimètre et de la solution aqueuse:

Quantité de chaleur libérée dans la réaction = quantité de chaleur absorbée par le calorimètre + quantité de chaleur absorbée par la solution

La quantité de chaleur absorbée par le calorimètre s'appelle la capacité calorique du calorimètre. Ceci est déterminé en fournissant une quantité connue de chaleur au calorimètre avec une masse donnée d'eau. Ensuite, l’augmentation de la température du calorimètre et de la solution qu’il contient sont mesurées.

Avec ces données et l’utilisation de la chaleur spécifique de l’eau (4, 18 J / g.ºC), la capacité calorique du calorimètre peut être calculée. Cette capacité s'appelle également la constante de calorimètre.

D'autre part, la chaleur gagnée par la solution aqueuse est égale à am · ce · Δt. Dans la formule m = masse d'eau, ce = chaleur spécifique de l'eau et Δt = variation de la température. Sachant tout cela, on peut alors calculer la quantité de chaleur dégagée par la réaction exothermique.

Histoire du calorimètre

En 1780, un chimiste français, AL Lavoisier, considéré comme l'un des pères de la chimie, utilisa un cobaye pour mesurer la production de chaleur par sa respiration.

Comment Utiliser un appareil similaire à un calorimètre. La chaleur produite par le cobaye était mise en évidence par la fonte de la neige qui entourait l'appareil.

Les chercheurs A. L Lavoisier (1743-1794) et PS Laplace (1749-1827) ont conçu un calorimètre permettant de mesurer la chaleur spécifique d'un corps par la méthode de la fonte des glaces.

Le calorimètre consistait en un bécher cylindrique étamé, verni, maintenu par un trépied et terminé intérieurement par un entonnoir. A l'intérieur, un autre verre semblable au précédent a été placé, avec un tube traversant la chambre extérieure et muni d'une clé. À l'intérieur du second verre se trouvait une grille.

Dans cette grille était placé l'être ou l'objet dont on souhaitait déterminer la chaleur spécifique. La glace était placée à l'intérieur des vaisseaux concentriques, comme dans le panier.

La chaleur produite par le corps était absorbée par la glace, provoquant sa fusion. Et l'eau liquide produite par la fonte de la glace a été recueillie, ouvrant la clé du récipient intérieur.

Et enfin, en pesant l'eau, la masse de la glace fondue était connue.

Pièces

Le calorimètre le plus couramment utilisé dans les laboratoires d'enseignement de chimie est ce qu'on appelle le calorimètre à tasse à café. Ce calorimètre consiste en un bécher ou, à la place, un récipient en matière d’anime possédant certaines propriétés isolantes. À l'intérieur de ce récipient, la solution aqueuse est placée avec le corps pour produire ou absorber la chaleur.

Un couvercle en matériau isolant comportant deux trous est placé dans la partie supérieure du conteneur. Un thermomètre est introduit dans l’un pour mesurer les variations de température et dans l’autre, un agitateur, de préférence en verre, remplit la fonction de déplacer le contenu de la solution aqueuse.

L'image montre les pièces d'une pompe calorimétrique; cependant, on peut constater qu'il comporte le thermomètre et l'agitateur, éléments communs à plusieurs calorimètres.

Types et leurs caractéristiques

La tasse à café

C'est celui qui est utilisé dans la détermination de la chaleur dégagée par une réaction exothermique et de la chaleur absorbée dans une réaction endothermique.

En outre, il peut être utilisé pour déterminer la chaleur spécifique d'un corps. c'est-à-dire la quantité de chaleur qu'un gramme de la substance doit absorber pour augmenter sa température d'un degré Celsius. .

La pompe calorimétrique

C'est un appareil dans lequel la quantité de chaleur libérée ou absorbée dans une réaction qui se produit à volume constant est mesurée.

La réaction a lieu dans un récipient en acier puissant (la pompe), qui est immergé dans un grand volume d'eau. Cela réduit les changements de température de l'eau. Par conséquent, on suppose que les changements associés à la réaction sont mesurés à volume et à température constants.

Ce qui précède indique qu'aucun travail n'est effectué lorsqu'une réaction est effectuée dans une pompe calorimétrique.

La réaction commence par l’alimentation en électricité par le biais de câbles reliés à la pompe.

Le calorimètre adiabatique

Il se caractérise par une structure isolante appelée bouclier. Le bouclier est situé autour de la cellule où la chaleur et les changements de température se produisent. Il est également connecté à un système électronique qui maintient sa température très proche de celle de la cellule pour éviter les transferts de chaleur.

Dans un calorimètre adiabatique, la différence de température entre le calorimètre et son environnement est minimisée. ainsi que minimiser le coefficient de transfert de chaleur et le temps d'échange thermique.

Ses parties sont les suivantes:

-La cellule (ou conteneur), intégrée dans un système d'isolation à travers lequel on tente d'éviter les pertes de chaleur.

-Le thermomètre, pour mesurer les changements de température.

-Un appareil de chauffage connecté à une source de tension électrique contrôlable.

-Et le bouclier, déjà mentionné.

Dans ce type de calorimètre, des propriétés telles que l'entropie, la température de Debye et la densité d'état électronique peuvent être déterminées.

Le calorimètre isopéribolique

C'est un dispositif dans lequel la cellule de réaction et la pompe sont immergées dans une structure appelée enveloppe. Dans ce cas, l'enveloppe est constituée d'eau maintenue à une température constante.

La température de la cellule et de la pompe augmente à mesure que de la chaleur est libérée pendant le processus de combustion; mais la température de la chemise d'eau est maintenue à une température fixe.

Un microprocesseur contrôle la température de la cellule et de la chemise en apportant les corrections nécessaires de la chaleur de fuite résultant des différences entre les deux températures.

Ces corrections sont appliquées en continu et avec une correction finale, sur la base des mesures effectuées avant et après le test.

Le calorimètre d'écoulement

Développé par Caliendar, il dispose d'un dispositif permettant de déplacer un gaz dans un conteneur à une vitesse constante. Lors de l'ajout de chaleur, l'augmentation de la température dans le fluide est mesurée.

Le calorimètre à écoulement est caractérisé par:

- Une mesure exacte du débit constant.

- Mesure précise de la quantité de chaleur introduite dans le fluide par un appareil de chauffage.

- une mesure précise de l'augmentation de la température dans le gaz causée par l'apport d'énergie

- une conception permettant de mesurer la capacité d'un gaz sous pression.

Le calorimètre pour la calorimétrie à balayage différentiel

Il se caractérise par deux conteneurs: dans l'un, l'échantillon à étudier est placé, tandis que l'autre est laissé vide ou un matériau de référence est utilisé.

Les deux cuves sont chauffées à une vitesse d'énergie constante, au moyen de deux chauffages indépendants. Lorsque le chauffage des deux conteneurs commence, l'ordinateur trace la différence de flux de chaleur des éléments chauffants en fonction de la température, ce qui permet de déterminer le flux de chaleur.

De plus, la variation de la température en fonction du temps peut être déterminée; et enfin, la capacité calorique.

Les applications

En physico-chimie

-Les calorimètres de base, type tasse à café, permettent de mesurer la quantité de chaleur qu'un corps libère ou absorbe. Ils peuvent déterminer si une réaction est exothermique ou endothermique. De plus, la chaleur spécifique d'un corps peut être déterminée.

-Le calorimètre adiabatique a permis de déterminer l'entropie d'un processus chimique et la densité d'état électronique.

Dans les systèmes biologiques

-Les microcalorimètres sont utilisés pour étudier les systèmes biologiques qui incluent les interactions entre les molécules, ainsi que les changements de conformation moléculaires qui se produisent. par exemple, dans le déroulement d'une molécule. La ligne comprend à la fois le balayage différentiel et le titrage isotherme.

-Le microcalorimètre est utilisé dans le développement de médicaments à base de petites molécules, de médicaments biothérapeutiques et de vaccins.

Calorimètre de pompe à oxygène et pouvoir calorique

La combustion de nombreuses substances se produit dans le calorimètre à pompe à oxygène et son pouvoir calorique peut être déterminé. Parmi les substances étudiées lors de l’utilisation de ce calorimètre figurent: le charbon et le coke; huiles comestibles, lourdes et légères; l'essence et tous les carburants.

Ainsi que les types de combustibles pour les réacteurs d'avion; déchets de combustible et élimination des déchets; produits alimentaires et suppléments pour la nutrition humaine; cultures fourragères et suppléments pour l'alimentation animale; matériaux de construction; roquettes et carburants.

De même, le pouvoir calorique a été déterminé par calorimétrie lors d'études thermodynamiques de matériaux combustibles; dans l'étude du bilan énergétique en écologie; dans les explosifs et les poudres thermiques et dans l'enseignement des méthodes thermodynamiques de base.