Politechnika Wrocławska

Transkrypt

1 Politechnika Wrocławska Materiały metaliczne i procesy metalurgiczne - laboratorium Ćwiczenie nr 4 Wyznaczanie ciepła właściwego metali. J. Kapała, B. Salamon Wprowadzenie i cel ćwiczenia. Kalorymetria jest działem nauki, która swym zakresem obejmuje metody i przyrządy stosowane do określania efektów energetycznych przemian fizykochemicznych. Narzędzia, które służą do ilościowego oznaczenia tych efektów nazywane są kalorymetrami. Różnice w budowie i sposobie działania wspomnianych urządzeń, determinują ich przeznaczenie w pomiarach termodynamicznych. Celem ćwiczenia 1 jest wyznaczenie ciepła właściwego metalu, w warunkach stałego ciśnienia, przy pomocy kalorymetru Calveta, metodą drop calorimetry. Celem ćwiczenia 2 jest wyznaczenie ciepła rozpuszczania soli w wodzie, w warunkach stałego ciśnienia, przy pomocy kalorymetru Calveta, metodą kruszenia ampuły. Budowa i oprzyrządowanie kalorymetru. W aluminiowym bloku kalorymetru znajdują się dwie cylindryczne komory, w których umieszczone są termostosy. Oba termostosy stanowią bliźniaczą konstrukcję są połączone różnicowo, co zapewnia większą stabilność termiczną układu i pozwala na eliminację ewentualnych zakłóceń termicznych z zewnątrz. Jest to równoważne także z tym, że rejestrowana siła termoelektryczna wynika wyłącznie z różnicy temperatur powodowanej efektami cieplnymi w celi pomiarowej. Termostosy są zbudowane z dysków korundowych, które oplecione są termoparami Pt/Pt-Rh(10%). Wewnętrzne połączenia termopar pozostają w ścisłym kontakcie z komorą kalorymetru, poprzez cienkościenną warstwę korundu, natomiast połączenia zewnętrzne termopar są w kontakcie z blokiem kalorymetru. Każdy termostos jest tworzony przez 750 termopar, co determinuje dużą czułość tego urządzenia, a zatem dużą dokładność pomiaru wielkości efektu termicznego [1]. Schematyczny przekrój

2 bloku kalorymetru został przedstawiony na rys. 1. Siła elektromotoryczna termostosu jest mierzona przy użyciu multimetru FLUKE 8808A przy jednosekundowym interwale, a sygnał termiczny z termostosów jest rejestrowany graficznie przy pomocy komputera. Natomiast temperatura bloku kalorymetru jest stabilizowana przez programator EUROTHERM 2404, który utrzymuje temperaturę standardową z dokładnością około 0,01 K [2]. Rys. 1. Schematyczny przekrój poprzeczny kalorymetru Calveta. ĆWICZENIE 1 (wyznaczanie ciepła właściwego metalu) Do kratownicy, umieszczonej nad kalorymetrem, jest przymocowany specjalnie zaprojektowany piecyk, który służy do ogrzewania próbki i materiału wzorcowego, zanim znajdą się we wnętrzu celi pomiarowej. Zasada oznaczenia efektu energetycznego. Przed rozpoczęciem pomiaru, należy uruchomić program zbierający dane FLUKE 8808A. Próbkę metalu, o dokładnie znanej masie m, należy ogrzać w piecyku do temperatury T m. Temperaturę T m proszę wyznaczyć na podstawie danych dla termopar typu K oznaczanych przez NIST, z zależności [3]: (1),

3 gdzie u to napięcie termoelektryczne termopary, odczytane z woltomierza. Następnie ogrzaną próbkę, wprowadza się do celi pomiarowej, poprzez wysunięcie zawleczki przy piecyku. Pomiar ciepła właściwego metalu jest przeprowadzany w temperaturze 298,15 K (T k ). Powstający efekt energetyczny zostaje zarejestrowany w postaci termogramu, będącego zależnością siły termoelektycznej na termostosie w funkcji czasu o określonej powierzchni S1. Przykładowy termogram znajduje się na rys. 2. Na idealnym termogramie linia bazowa początkowa i końcowa utrzymują się na tym samym poziomie. Rys. 2. Przykładowy termogram z zarejestrowanym efektem towarzyszącym wprowadzeniu do celi pomiarowej próbki (S1) i materiału wzorcowego (S2). Zaznaczone elementy: A linia bazowa początkowa, B zarejestrowany efekt, C linia bazowa po wystąpieniu efektu. Następnie proszę wykonać kalibrację pomiaru, przy użyciu szafiru, czyli α-al 2 O 3 produkcji NIST, jako materiału wzorcowego. W przypadku pomiaru ciepła molowego substancji wzorcowej, należy postąpić identycznie jak w przypadku badanej próbki metalu. Efekt cieplny, który jest opisany powierzchnią na termogramie, jest wprost proporcjonalny do wielkości ciepła wydzielonego lub pochłoniętego w celi eksperymentalnej. Zmianę entalpii materiału wzorcowego (ΔH mw = Q p ) przy stałym ciśnieniu, o określonej masie, przy założeniu, że zmiany energii kinetycznej próbki podczas wprowadzania do celi pomiarowej są pomijalnie małe, a w momencie znalezienia się w celi kalorymetru szafir miał temperaturę T mw, proszę wyznaczyć z zależności: (2),

4 gdzie m, M są odpowiednio masą i masą molową materiału wzorcowego, a ciepło molowe α-al 2 O 3 opisywane jest zależnością: Dokładnie wyznaczona wartość ciepła wydzielonego przez materiał wzorcowy, pozwala z prostej proporcji obliczyć wartość ciepła właściwego badanego metalu, zakładając, że w przedziale temperatur T = T m T k ciepło molowe substancji badanej nie zależy od temperatury. W związku z tym zależność (2) przyjmuje postać: (3) (4) Sprawozdanie. Sprawozdanie, wykonane jedno na grupę, powinno zawierać: opis przeprowadzonego ćwiczenia, uzyskane termogramy: dla badanego metalu i materiału wzorcowego, wraz z scałkowanymi powierzchniami S1 i S2, obliczenia dotyczące ciepła molowego materiału wzorcowego i na tej podstawie obliczonej jego zmiany entalpii (ΔH mw ), wyprowadzenie zależności pomiędzy zmianą entalpii materiału wzorcowego (ΔH mw ), a zmianą entalpii badanego metalu (ΔH m ), obliczenie ciepła właściwego badanego metalu, a następnie skonfrontowanie otrzymanej wartości z danymi literaturowymi, by na tej podstawie zaproponować nazwę badanego metalu. ĆWICZENIE 2 (wyznaczanie ciepła rozpuszczania soli w wodzie) Przygotowanie preparatu do badań polega na naważeniu niewielkiej ilości soli (ok. 0,5 g) i umieszczeniu jej w ampule. Ampułę zamyka się zatapiajac ją w palniku acetylenowym tak, aby nie stopić preparatu. Zatopioną ampułę umieszcza się w celi pomiarowej razem z rozpuszczalnikiem. Po ustabilizowaniu warunków w kalorymetrze (ok. 12 h) ampułę kruszy się rejestrując efekt energetyczny. Drugim etapem ćwiczenia jest przeprowadzenie kalibracji kalorymetru w sposób identyczny jak w ćwiczeniu 1. Ze względu na czasochłonność badania, ćwiczenie jest wykonywane w ten sposób, że grupa zaczyna od skruszenia wcześniej przygotowanej ampuły umieszczonej zawczasu w

5 kalorymetrze, następnie w czasie rejestracji termogramu przygotowuje preparat dla grupy następnej. Lista czynności: wykonanie ampuły szklanej załadowanie ampuły badaną solą zatopienie ampuły umieszczenie ampuły w celi pomiarowej i dodanie rozpuszczalnika umieszczenie celi w komorze kalorymetru, stabilizacja termiczna kalorymetru stłuczenie ampuły i rejestracja termogramu zrzucenie zważonego materiału wzorcowego Sprawozdanie. Sprawozdanie, wykonane jedno na grupę, powinno zawierać: opis przeprowadzonego ćwiczenia, uzyskane termogramy: dla badanego metalu i materiału wzorcowego, wraz z scałkowanymi powierzchniami S1 i S2, obliczenia dotyczące ciepła molowego materiału wzorcowego i na tej podstawie obliczonej jego zmiany entalpii (ΔH mw ), wyprowadzenie zależności pomiędzy zmianą entalpii materiału wzorcowego (ΔH mw ), a zmianą entalpii badanego metalu (ΔH m ), Zagadnienia do kartkówki. definicje: ciepło właściwe, ciepło molowe, ciepło rozpuszczania, entalpia, termostos, termopara, termogram, opis zasady działania i budowy kalorymetru Calveta. Bibliografia: 1. Calvet E, Prat H. Microcalorimètrie; applications physico-chimiques et biologiques, Paris: Masson & Cie; Salamon B, Kapała J, Gaune-Escard M. Instrumentation and calibration of the Calvet calorimeter; Enthalpy of solution of PrBr3 at standard conditions. J Therm Anal Calorim; Guide to thermocouple and resistance termometry, TC Ltd; Issue 6.1, United Kingdom; Atkins P. W. Chemia Fizyczna. PWN;2001.