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

Nhiệt lượng kế là thiết bị được sử dụng để đo nhiệt lượng hoặc quá trình đo nhiệt của các phản ứng hóa học, thay đổi vật lý hoặc khả năng nhiệt. Để giúp các bạn hiểu rõ hơn về nhiệt lượng kế là gì? Cấu tạo, phân loại và cách sử dụng ra sao, LabVIETCHEM đã tổng hợp lại các thông tin liên quan trong nội dung bài viết sau. Hãy cùng chúng tôi đi tìm hiểu nhé. 

Hình ảnh bom nhiệt lượng IKA

Nhiệt lượng kế là gì?

Nhiệt lượng kế là thiết bị được sử dụng để đo lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy một mẫu đặt trong môi trường giàu khí oxy bên trong một bình kín, 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 đề cập ần đầu tiên vào năm 1770.

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

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

-  Hugo Junkers - một nhà phát minh và kỹ sư hàng không người Đức là người đầu tiên được nhận bằng sáng chế về một nhiệt lượng kế dùng để đo năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu khí vào năm 1892.

Nguyên lý hoạt động của nhiệt lượng kế

Người ta sử dụng năng lượng điện để làm bắt lửa mẫu. Khi mẫu cháy, nó sẽ làm nóng lớp nước bao xung quanh bom. Nhờ đó, người thực hiện có thể đo sự thay đổi nhiệt độ của mẫu để tính nhiệt trị hay năng suất tỏa nhiệt của mẫu.

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

Cấu tạo của nhiệt lượng kế

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

- Que khuấy

- Nhiệt kế

- Nắp

- Bình hai vỏ

- Miếng kê bằng chất cách nhiệt

Các bộ phận cấu tạo lên nhiệt lượng kế

Hướng dẫn cách đo nhiệt lượng bằng nhiệt lượng kế

Bước 1: Cho 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 thấy vật có nhiệt độ t2 (°C).

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

Q = m.c. ∆t

Trong đó:

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

Ví dụ:

- Lấy khoảng 1g mẫu chất dạng rắn hoặc lỏng, cho vào trong một chén nung rồi đặt vào bên trong một bình kín bằng thép không gỉ. Bình kín hay bom nhiệt lượng, nhiệt lượng kế được cấp đầy oxy kỹ thuật (99,95%) ở áp suất 30 bar.

- Mẫu được đốt cháy nhờ một sợi cotton nối với dây bắt lửa bên trong nhiệt lượng kế và bốc cháy.

- Trong quá trình cháy, nhiệt độ bên trong chén nung có thể tăng lên đến 1000 ° C, kéo theo sự gia tăng áp suất. Lúc này, tất cả các vật chất hữu cơ đều bị đốt cháy và oxy hóa hoàn toàn.

- Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy mẫu có thể được tính toán theo phương pháp đoạn nhiệt, đẳng nhiệt hay động lực

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 chứa bom nhiệt lượng bên trong là bằng nhau. Điều này đồng nghĩa với việc sự cách nhiệt gần như hoàn hảo nhất.

- Khi sử dụng nhiệt lượng kế đoạn nhiệt, người thực hiện 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 của môi trường đều đã được giảm thiểu bằng cách duy trì nhiệt độ không khí trong phòng một cách ổn định.

- Khi sử dụng nhiệt lượng kế đẳng nhiệt, sự cách nhiệt diễn ra không hoàn toàn bởi xảy quá trình truyền nhiệt giữa bình chứa bom nhiệt lượng và bình cách nhiệt vẫn ở mức độ nhỏ. Vì vậy, người thực hiện cần tính toán đến sự trao đổi nhiệt này bằng một hệ số hiệu chỉnh gọi là hệ số Regnault - Pfaundler

3. Nhiệt lượng kế động lực

- Đây là phiên bản rút gọn của chế độ đo đoạn nhiệt và/hoặc đẳng nhiệt. Kết quả phép đo bằng nhiệt lượng kế động lực vẫn phải tuân theo các tiêu chuẩn Relative Standard Deviation (RSD).

Cách tính nhiệt dung riêng của một chất thông qua 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 nhiệt lượng cần truyền cho một đơn vị khối lượng chất đó để làm tăng nhiệt độ lên thêm 1 °C.

- Trong hệ thống đo lường chuẩn quốc tế, đơn vị đo của nhiệt dung riêng là Joule trên kilôgam trên Kelvin, J•kg⁻¹•K⁻¹ hay J/(kg•K), hoặc Joule trên mol trên Kelvin.

Cách tính nhiệt dung riêng của một chất thông qua 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 nhiệt lượng là Q để nhiệt độ vật tăng 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 vật rắn vào nhiệt lượng kế (có que khuấy) có 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 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 ra một nhiệt lượng Q và nhiệt độ vật giảm từ t xuống t2.

Q = m.c.(t – t2)

Lúc này, nhiệt lượng kế que khuấy và nước sẽ nhận số nhiệt lượng ấy để tăng nhiệt từ t1 đến 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 được ký hiệu là Cmol)

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

Cv = δ.Qv / (n.dT)

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

Cp = δ.Qp / (n.dT)

Hai nhiệt dung nếu tính cho một đơn vị khối lượng thì được nhiệt dung riêng đẳng tích và nhiệt dung riêng đẳng áp còn nếu tính cho một mol thì ta được nhiệt dung phân tử (nhiệt dung mol) đẳng tích và nhiệt dung phân tử (nhiệt dung mol) đẳng áp. Giá trị của các nhiệt dung này được dùng cho 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 LabVIETCHEM 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 bạn có thể biết thêm kiến thức hữu ích để dùng cho các bài tập vật lý liên quan.

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

 Xem thêm:

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