Od zmieavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii

Od zmiešavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii Zuzana Pribulová

Čo je tepelná kapacita a ako ju môžeme merať? DQ C= DT Množstvo tepla potrebné na zmenu teploty látky o 1 stupeň Potrebujem zmerať: ? koľko energie sa látke dodalo/odobralo ? ? ako sa zmenila teplota skúmanej látky ? ? prípadne aká je hmotnosť skúmanej látky ? DQ c= m. DT 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

Relaxačná metóda ohrievač teplomer vzorka Skúmané teleso je spojené s okolím - ohrejme ho na teplotu vyššiu ako má okolie - zmeriame ako dlho mu trvá, kým sa opäť vychladí a) b) T [K] vzorka -20 -10 0 t [s] 10 20 40 60 80 100 120140 160 t [s] Výhody: - výsledkom je absolútna hodnota tepelnej kapacity Nevýhody: - časová náročnosť – nedá sa merať kontinuálne - nedá sa použiť pri malých vzorkách zafírová doštička vzorka

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

ac-kalorimetria Vzorku ohrievame periodicky modulovaným signálom a sledujeme oscilácie jej teploty Ohrievač P = P 1 + P 0 cos(wt) Vzorka C, T Teplomer K Rezervoár Tb 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 Tac = P 0 K + Cw

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

ac-kalorimetria

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

ac-kalorimetria w << 1/text = K/C 1/text << w << 1 /tint T P 0 TTacac== = Tdc K + Cw T T Tb+Tdc Tb 1/tint<< w t t Tb PP 00 Tac == Cw K +Cw t Tb Tac 0