Визначення теплоти згоріння речовин за допомогою калориметра юнкерса

 

Для роботи необхідно: калориметр Юнкерса; сухий спирт; кон-
тактний термометр; барометр; технічна вага; мірний циліндр на 1 – 2 л; секундомір.

Мета роботи – визначення теплотворної здатності твердих, рідких і газоподібних горючих речовин. Для цього застосовується калориметр системи Юнкерса, так званий ручний калориметр, який зображений на рис.1.

Рис.1.

В ньому можуть згорати гази (метан, етан, пропан, бутан), рідкі речовини (спирти) та тверді речовини (цукор, сухий спирт тощо). В кожному випадку на вході калориметра робиться спеціальний пристрій, за допомогою якого спалюють речовину: чи то в газовій горілці (як показано на рисунку 1), чи то в cпиртівці (рідкі речовини), або на спеціальній підставці спалюють тверді речовини (їх розміщують на металевій сіточці, вкритій азбестом). В залежності від агрегатного стану речовини, калорійність якої визначають, теплотворну здатність відносять або до одиниці об'єму (газуваті речовини), або до одиниці маси (рідкі і тверді речовини). Кількість спаленого газу вимірюють за допомогою газового лічильника, тоді як кількість рідини чи твердої речовини, яка згоріла під час досліду, визначають по різниці маси на початку і кінці досліду. В останньому випадку спиртовку зважують до досліду і після досліду (разом із спиртом), і знаходять різницю спирту, що випарувався і згорів. У випадку твердої речовини (сухий спирт) декілька кубиків речовини зважують перед дослідом, потім їх вміщують на підложку у входа до калориметра і підпалюють. Через певний час гасять полум'я і після охолодження залишкової маси її зважують. По різниці маси визначають кількість сухого спирту, який згорів під час досліду.

Розрізняють вищу і нижчу теплотворну здатність палива. Вища теплотворна здатність – це та кількість тепла, яка виділяється при згоранні органічної речовини з утворенням рідкої води (тобто враховується і та теплота, яка виділяється при конденсації води).

Нижча теплотворна здатність речовини – це теплота згорання з утворенням пароподібної води (коли частина теплоти виноситься з продуктами горіння у вигляді водяної пари).

Метою даної роботи є визначення вищої теплотворної здатності речовини. Визначення теплотворної здатності твердих і рідких речовин проводять у калориметричній бомбі при сталому об'ємі, тоді як визначення теплотворної здатності газоподібних речовин проводять у калориметрі Юнкерса при сталому тиску. Але цей калориметр може бути використаний і для вимірення калорійності твердих і рідких речовин, якщо його трохи переобладнати.

Принцип роботи такої установки: газ із балону поступає в прилад С, звідки проходить у пальник, закріплений у нижній частині калориметра К, де і згорає. У випадку твердих речовин замість горілки вставляють спеціальну підставку, на якій розміщена досліджувана речовина (сухий спирт). Протягом всього досліду через калориметр циркулює вода. Із крана через трубку a вода направляється в чашку D, звідки під деяким сталим тиском поступає в середину калориметра, виходить в чашку е і через кран l може відводитись у відлив або мірний циліндр. Надлишок води з чашки D відводиться зa допомогою трубки d теж у відлив.

Продукти горіння піднімаються по трубках, які є в корпусі кало-
риметра, і віддають тепло циркулюючій воді. Внаслідок цього температу-
ра води, яка проходить через калориметр, підвищується. Охолоджені продукти горіння спускаються вниз і виходять через вивідну трубку Е. Температура вхідної і вихідної води вимірюється з допомогою термометрів t₁ і t₂.

Для правильної роботи установки важливо, щоб вона була у вер-
тикальному положенні. Це контролюється по рівневі, який знаходиться на зовнішній стінці калориметра.

Кількість речовини, яка спалюється, визначають по різниці початкової m_o і кінцевої маси m_t: .

Експериментальна частина

Відкриванням водопровідного крана пускають воду в калориметр. Користуючись міткою на крані l, повертають його так, щоб, виходячи із калориметра, вода попадала у відлив.

Підпалюють сухий спирт і протягом 10–15 хвилин дома-
гаються сталості температур вхідної і вихідної води, весь час спосте-
рігаючи за горінням спирту. Температуру вхідної і вихідної води спостерігають на обох термометрах і записують через кожну хвилину протягом 5 хвилин. З одержаних даних знаходять середню температуру води. Потім повертають головку крана так, щоб вода витікала в циліндр Z ємністю 1 літр. Коли в циліндр витече 1 літр води, кран перекривають. По масі сухого спирту, що згорів, і масі води, що набрана в циліндр, і різниці в показниках термометра розраховують теплотворну здатність речовини. Для розрахунків необхідно знати також і барометричний тиск, пружність парів води при заданій температурі і кімнатну температуру.

Кількість тепла (в Дж), яке пішло на нагрівання води при згоранні певної маси речовини розраховують по формулі

,

де т – маса води, кг; С – теплоємність води, Дж/кмоль; Т₁ – температура води (К) на вході калориметра; Т₂ – температура води (К) на виході з калориметру.

Калорійність сухого спирту, розрахована на 1 кг, знаходять по формулі

10³.

Дослід проводять при різній швидкості протікання води і вираховують середнє значення теплотворної здатності сухого спирту. Режим роботи вказується керівником заняття. Запис ведеться за такою формою (див. табл. 1):

m = g = H =

h = Т, К = Q =

Таблиця 1

Початкова маса mo, к г	Кінцева маса mt, к г	∆mr, к г	Температура води, Т К	Середня темпе- ратура води, Т К
що входить	що виходить	що входить	що виходить

Пружність парів води в залежності від температури наведена в
табл. 2.

Таблиця 2

Т К	h, мм рт.ст.	Т К	h, мм рт.ст.
287,0	11,987	292,5	16,99
287,5	12,382	293,0	17,535
288,0	12,783	293,5	18,085
288,5	13,205	294,0	18,650
289,0	13,634	294,5	19,231
289,5	14,076	295,0	19,827
290,0	14,530	295,5	20,440
290,5	14,997	296,0	21,068
291,0	15,477	296,5	21,714
291,5	15,971	297,0	22,377
292,0	16,477	298,0	23,765