Kalorimetria

Fizikai kémiai folyamatokat kísérő az elnyelt vagy a felszabadult hő mérése.

Pl.: Egy folyadékban feloldódó szilárd anyag által a környezetéből felvett energiának mérése. Vagy egy anyag elégetéséből származó energiának a mérése.

Tehát a testek belső energiájával foglalkozik, amit két féle képen tudunk megváltoztatni. Termikus kölcsönhatással vagy mechanikai kölcsönhatás útján. Így a változás mértékét a Q hőmennyiség vagy a W mechanikai munka adja meg. Az energia megmaradásának tétele szerint: A gáz belső energiájának megváltozása egyenlő a gázzal közölt Q hőmennyiség és a gázon végzett W mechanikai munka előjeles összegével. Vagyis belső energiaváltozás . Ezt nevezzük a termodinamika, magyarul a hőtan I. főtételének.

A hőmennyiséget a képlettel, a mechanikai munkát pedig állandó nyomáson a összefüggéssel kapjuk meg.

Azaz:

• Mechanikai munka = nyomás * térfogat változás
• Hőmennyiség = fajhő* tömeg * hőmérsékletváltozás

A testek közötti termikus energiacsere anyagi jellemzője a testek fajhője. A fajhő számértéke megadja, hogy mekkora Q hőközléssel vagy hőelvonással lehet az 1 kg tömegű test hőmérsékletét 1 Kelvinnel megváltoztatni. A fajhő értéke függ a testek anyagi minőségétől és halmazállapotától.

A gázok fajhője függ a testek közötti hőcsere módjától is. Ezért a gázoknál megkülönböztetünk állandó nyomáson mérhető , illetve állandó térfogaton mérhető fajhőt. Minden gáznál az állandó nyomáson mért fajhő nagyobb az állandó térfogaton mért fajhőnél. Ez azzal magyarázható, hogy a gázok állandó nyomáson nehezebben melegszenek fel, mint állandó térfogaton, mivel ekkor mechanikai munkavégzés is történik.

A hőtan II. főtétele a hőtani folyamatok irányát szabja meg. A termikus kölcsönhatások során mindig a melegebb test ad át energiát a hidegebb testnek. Az energiacsere folyamatának ez az iránya magától, külső beavatkozás nélkül nem megfordítható, irreverzibilis folyamat.

Az irreverzibilis hőtani folyamatok a részecskék rendezetlen mozgásával értelmezhetők. A második főtétel azt mondja ki, hogy a termikus folyamatoknak meghatározott iránya van. Mindig csak olyan irányban játszódnak le, hogy a folyamat eredményeként részecskék rendezetlen hőmozgása még rendezetlenebbé válik.

Ha létrejött az energiacsere termodinamikai egyensúly jön létre.

Termodinamikai egyensúly: Két vagy több rendszer akkor van egymással egyensúlyban, ha adott feltételek között a termodinamikai tulajdonságok (pl. nyomás, hőmérséklet és térfogat) azonosak és időben állandóak.

Egy hétköznapi példa a hőtan II főtételére, hogy a hűtőszekrényből hő megy át a környezetbe, tehát a hidegebb helyről a melegebb hely felé történik a hőátadás. Ez csak külső beavatkozás, azaz a kompresszor hozhatja létre, aminek ára van. (villanyszámla)

Termikus kölcsönhatások során megváltozhat a testek halmazállapota. A természetben a testek három: szilárd, folyékony és légnemű halmazállapotban fordulnak elő. Nagyon fontos, hogy halmazállapot-változás közben a testek hőmérséklete nem, de a belső energiájuk megváltozik. Minden halmazállapot-változás energiacserével jár együtt.

Energia felvétellel járó halmazállapot-változás az olvadás, a párolgás, a forrás és a szublimáció.

Energia leadással jár a lecsapódás és a fagyás.

Az olvadás (fagyás), illetve a forrás csak meghatározott, az anyagi minőségtől és a külső nyomástól függő hőmérsékleti ponton, az olvadásponton (fagyásponton), illetve a forrásponton következik be.

A párolgás, lecsapódás és a szublimáció minden hőmérsékleten végbemehet.

Az testek olvadásakor és forrásakor termikus módon felvett Q hőmennyiség egyenesen arányos a test tömegével. illetve

anyagi minőségre jellemző állandót, olvadáshőnek, állandót pedig forráshőnek nevezzük. Mértékegységük .

Kísérlet:

• Hőmérő
• Termosz+ ismeretlen tömegű meleg víz
• Edény

Határozzuk meg a meleg víz tömegét!

A meleg víz tömegét úgy határozhatjuk meg, hogy megmérjük a termoszban lévő víz hőmérsékletét. Utána tetszőleges mennyiségű vizet, pl. 100 ml-t töltünk az edénybe. Melynek hőmérsékletét és tömegét is feljegyezzük. 100 ml víz tömegét onnan tudjuk, hogy 1 liter = 1 kg, tehát 100g.

Az adatok felírása után a meleg víz tömegét két féle képen is kiszámolhatjuk.

1. módszer

• A hideg és a meleg víz termikus kölcsönhatásakor létrejön a közös hőmérséklet (írjuk fel), tehát hőcsere történik. A meleg hőt ad le, a hideg hőt vesz fel.
• Tehát felírhatjuk rá a következő egyenletet:
• 
• Arra kell figyelni, hogy a a közös hőmérséklet és a meleg víz hőmérsékletének a különbsége, illetve a a közös hőmérséklet és a hideg víz hőmérsékletének a különbsége.
• Majd a fajhővel egyszerűsítünk és akár g-ban is megadhatjuk a tömegét.

2. módszer

• A kalorimetria közös hőmérséklet képletével.
• Helyettesítsünk be mindent, majd egyszerűsítés és az egyenlet megoldása után ugyanaz azt az eredményt kapjuk.