История изобретения калориметра связана с именами французских учёных А.Лавуазье и П.Лапласа, создавших в 1780 г. первый такой прибор. С его помощью измеряли количества теплоты, выделяющиеся в физических, химических или биологических процессах. Первый калориметр заполнялся не водой, а льдом, и мало напоминал тот, который вы видели на уроке.

Ледяной калориметр позволил ещё в XVIII веке измерить теплоёмкости многих твёрдых тел и жидкостей, а также теплоты сгорания разных топлив и теплоты, выделяемые живыми организмами (см. рисунок). Например, теплота, отдаваемая животным (или другим объектом) во внутренней камере, расходовалась на плавление льда во внутренней «ледяной рубашке». Внешняя служила для того, чтобы поддерживать температуру внутренней части постоянной. Выделенную теплоту измеряли, взвешивая талую воду, стекавшую в сосуд.

Водяной калориметр был сконструирован в 1830 г. французским физиком П.Л.Дюлонгом, и с его помощью были определены теплоты сгорания многих веществ. Школьный водяной калориметр позволяет проводить измерения в диапазоне 0-100°С и достичь точности не выше 10%. Например, выполняя традиционную ЛР «Сравнение количеств теплоты, отданной горячей водой и полученной холодной», вы обнаруживаете погрешность порядка 10-30%. Более совершенные жидконаполненные калориметры, применяемые в лабораториях, позволяют уменьшить погрешность измерения до 5%.

Бомбовый калориметр – разновидность жидконаполненного калориметра, используемая для измерения количеств теплоты, выделяющейся при очень быстром горении – взрыве. Бомбовый калориметр представляет собой прочный герметически закрывающийся сосуд-бомбу 1, окружённую «водяной рубашкой» 4. Образец горючего вещества известной массы помещается в тигель 2 внутри бомбы с чистым кислородом и поджигается электрической искрой. Цифрой 3 обозначены электрические провода для поджига образца, 5 – теплоизолирующий корпус.

Энергия, выделяющаяся в результате управляемого взрыва образца внутри бомбы, передаётся водяной рубашке. Повышение температуры воды обычно не превышает одного-двух градусов, поэтому теплопотери во внешнюю среду невелики, следовательно при использовании термометров с малой ценой деления шкалы можно проводить довольно точные измерения.

Калориметр можно использовать для измерения энергетической ценности (калорийности) пищевых продуктов и/или готовых блюд. Для этого пищу необходимо сначала избавить от влаги (высушить), затем поместить образец известной массы в калориметрическую бомбу. Она сжигает пищу, а тепло передаётся воде. Измеряя количество теплоты, получают известные всем «килокалории», упоминания о которых можно встретить на упаковках продуктов, а также в рекомендациях по диетическому питанию.

Почему же сначала был изобретён прибор, которым можно было пользоваться только зимой, когда лёд был в достатке на улице? Дело в том, что во времена, когда жили изобретатели калориметра, не было общепринятых методов измерения температуры и точных термометров.

Устройство современных калориметров весьма разнообразно и определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, областью температур, при которых проводятся измерения, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью. Почти все современные калориметры – это высокотехнологичные приборы без привычных термометров. Вместо них используются встроенные датчики температуры. Данные измерения выводятся на дисплей калориметра, кроме того, прибор может быть подключен к компьютеру. Это позволяет проводить контроль над экспериментом, а также расчёты в соответствии с международными стандартами. На рисунке стрелочкой отмечена капсула-бомба с исследуемым образцом. Такие калориметры используют в лабораториях для измерения теплоты сгорания топлива, экспресс-анализа качества и состава нефтепродуктов, анализа параметров других видов топлива.

Встречающиеся в технической литературе названия калориметров «для химической реакции», «бомбовый», «изотермический», «ледяной», «низкотемпературный» – имеют историческое происхождение и указывают, главным образом, на способ и область использования калориметров, не являясь ни полной, ни сравнительной их характеристикой. Современные калориметры работают в диапазоне температур от 0,1 до 3500 К и позволяют измерять количество теплоты с точностью до 2%.

(C) 2012. Кузнецова Алла Викторовна (Самарская обл., г. Самара)