150 likes | 378 Views
Od zmie šavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii. Zuzana Pribulová. D Q. C =. Množstvo tepla potrebné na zmenu teploty látky o 1 stupeň. D T. D Q. c =. m D T. Čo je tepelná kapacita a ako ju môžeme merať?. Potrebujem zmerať:
E N D
Od zmiešavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii Zuzana Pribulová
DQ C = Množstvo tepla potrebné na zmenu teploty látky o 1 stupeň DT DQ c = mDT Čo je tepelná kapacita a ako ju môžeme merať? Potrebujem zmerať: ? koľko energie sa látke dodalo/odobralo ? ? ako sa zmenila teplota skúmanej látky ? ?prípadne aká je hmotnosť skúmanej látky ? Množstvo tepla potrebné na zmenu teploty 1 kg látky o 1 stupeň
Tepelná kapacita z molekulového hľadiska • Kam sa ukladá energia? • kinetická energia častíc • vibračné módy • narušenie väzieb • magnetické momenty • ... • Zložky tepelnej kapacity: • príspevok mriežky • príspevok elektrónov • magnetické príspevky • jadrový príspevok • ...
Experimentálne metódy merania tepelnej kapacity Vzorke dodáme teplo Q a sledujeme ako sa zmení jej teplota T Dodaná energia sa spotrebuje na: zvýšenie teploty vzorky - informácia o tepelnej kapacite časť tepla K unikne do okolia - straty musíme poznať a obmedziť na minimum Systém tvorí vzorka, teplomer a ohrievač, každý má vlastnú tepelnú kapacitu! Požiadavky: tepelná kapacita vzorky >> teplomera a ohrievača dobrý tepelný kontakt medzi súčasťami dobrá tepelná izolácia od okolia (vákuum...)
Zmiešavací kalorimeter ?koľko energie sa látke dodalo/odobralo ? teplo, odobrané telesu sa spotrebovalo na ohriatie vody ?ako sa zmenila teplota skúmanej látky ? zmeriame teplotu na začiatku aj na konci ?aká je hmotnosť skúmanej látky ? odvážime vzorku Ak poznáme všetko toto, vieme určiť tepelnú kapacitu látky
Adiabatická metóda Skúmané teleso musí byť úplne tepelne izolované od okolia - dodáme mu definované množstvo energie - zmeriame o koľko sa zvýšila jeho teplota ?koľko energie sa dodalo vzorke? viem vypočítať ? ako sa zmenila teplota vzorky? viem zmerať ? aká je hmotnosť vzorky? viem odvážiť Nevýhody: - je zložité dosiahnuť perfektnú izoláciu - problém ochladiť izolované teleso Výhody: - výsledkom je absolútna hodnota tepelnej kapacity
a ) b ) ohrievač vzorka teplomer T [K] vzorka zafírová doštička vzorka 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -20 -10 0 10 20 t [s] t [s] Relaxačná metóda Skúmané teleso je spojené s okolím - ohrejme ho na teplotu vyššiu ako má okolie - zmeriame ako dlho mu trvá, kým sa opäť vychladí Výhody: - výsledkom je absolútna hodnota tepelnej kapacity Nevýhody: - časová náročnosť – nedá sa merať kontinuálne - nedá sa použiť pri malých vzorkách
ac-kalorimetria • - nepotrebujem kontaktný ohrievač (svetlo) • namiesto teplomera TERMOPÁR (nemeriam teplotu ale rozdiel teplôt) • termopár je zároveň tepelný most a držiak vzorky Použitie teplomera je nevyhnutné, ale nemeriam ním teplotu vzorky, len teplotu rezervoára Tb
P0 Ohrievač P = P1 + P0 cos(wt) Tac = K + Cw Vzorka C, T Teplomer K Rezervoár Tb ac-kalorimetria Vzorku ohrievame periodicky modulovaným signálom a sledujeme oscilácie jej teploty Požiadavky: - teplotné oscilácie nesmú byť veľké, aby bola C konštantná v danom teplotnom intervale - frekvencia musí byť dostatočne nízka, aby sa stihla dosiahnuť tepelná rovnováha
ac-kalorimetria ?koľko energie sa dodalo vzorke? NEPOTREBUJEM VEDIEŤ stačí, že sa nemení ? ako sa zmenila teplota vzorky? viem zmerať veľmi presne ? aká je hmotnosť vzorky? NEPOTREBUJEM VEDIEŤ Čo vlastne viem??? Detekovať zmeny tepelnej kapacity (fázový prechod,...) • Výhody: • - vysoká citlivosť, • schopnosť detekovať malé zmeny v signále • možnosť merať kontinuálne • - vynikajúca metodika pre malé vzorky Nevýhody: - výsledkom NIE JE absolútna hodnota tepelnej kapacity, len relatívne hodnoty
Načo je dobré poznať tepelnú kapacitu? • je to termodynamická veličina – vlastnosť vzorky ako celku • (nie je ovplyvnená povrchovými defektmi...) • detekcia fázových prechodov (pri fázovom prechode sa tepelná kapacita mení – napr. zmena skupenstva vody je sprevádzaná výraznou zmenou tepelnej kapacity) • nesie informáciu o vlastnostiach častíc látky
Ďakujem za pozornosť www.hodinavedy.sk
Ako funguje termopár? Seebeckov jav Elektrické napätie v dôsledku teplotného gradientu Čím väčší teplotný rozdiel, tým väčšie napätie
P0 Tac = = Tdc K w << 1/text = K/C 1/text << w << 1 /tint 1/tint<< w T T T P0 P0 Tb+Tdc Tb+Tdc Tac = Tac 0 Tb+Tdc Tac = P0 K + Cw K +Cw t t Tac = Tb Tb t Tb Cw ac-kalorimetria ac-kalorimetria