Kalorimetre

Kalorimetre, kalorimetri biliminde kullanılan cihaza veya bir kimyasal reaksiyonda ya da fiziksel değişim'de açığa çıkan ısıyı ve ısı sığasını ölçme işlemine verilen isimdir. Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), izotermal titrasyon kalorimetresi (ITC) ve hızlandırılmış oran kalorimetresi en bilinen çeşitleridir.

Tarihçe

Kalorimetre ismi ünlü Fransız kimyager Antoine Lavoisier tarafından türetilmiştir.

Sabit basınç kalorimetresi

İç içe geçmiş iki stiren köpüğünden yapılmış kahve bardağından oluşan, yanma olmayan reaksiyonların ısı değişimlerini tayin etmek için kullanılan basit bir cihazdır. Çözelti ve seyrelme ısıları, asit-baz nötralleşmeleri (Yanma olayı gerçekleşmeyen reaksiyonlar) gibi çeşitli reaksiyonların ısı etkilerini ölçmektedir. Prosesin ısı değişimi basit sabit olduğu için entalpi değişimine eşittir. Tamamen izole bir sistemde reaksiyon ısısının çözelti tarafından absorblandığı kabul edilir. Çözeltinin ısı değişimi kadar kalorimetrenin de ısı kapasitesini de bilmek gerekir.

Buz kalorimetresi

En basit ısı ölçü birimi, bir kilogram buzu eritmek için gerekli ısı miktarıdır. Birime dayanan ölçme şeklinde, bir buz kütlesi alınır. İçinde bir oyuk açılır. Mesela belirli bir sıcaklıktaki bir cismin 0 °C dereceye inmek için vereceği ısıyı ölçmek için, o cisim bu oyuğa konulur ve üstü bir buz tabakasıyla kapatılır. Konulan cismin sıcaklığı 0 °C dereceye bir müddet sonra iner. Sonra meydana gelen su alınarak tartılır. Cismin sıfır dereceye inmek için vereceği ısı su haline geçen buzun erimesi için gerekli olan ısıya eşit olacağından, kilogram cinsinden ölçülen su ağırlığı ısı miktarını verir. Daha sonra Joseph Black tarafından kullanılan bu alet, Pierre Laplace tarafından geliştirilmiştir.

Robert W. E. Bunsen ise, bu aleti iki hazneli yaparak daha da pratik hale getirmiştir. İç hazne ısısı ölçülecek cisim için olup, dışta bulunan ve iç hazneyi çeviren haznede buz ve su karışımı bulunur. Dış hazneye bir kapiller boru bağlanmıştır. Ayrıca aleti, dış tesirlerden korumak için bütün dış hazne buz parçacıklarıyla sarılmıştır. Çalışma durumunda dış haznedeki buz ve su karışımı tamamen dengede olup, ne erime ve ne de donma mevcuttur. Isısı ölçülecek cisim, iç hazneye konulduğunda buz-su karışımındaki buzlar erimeye başlar.

Eriyen buz miktarı bu haznede meydana gelen hacim değişikliğinden ve bu ise eklenmiş bulunan tüpteki seviye değişikliğinden anlaşılır. Bu değerden, cismin sahip olduğu ısıya geçmek mümkündür.

Buhar kalorimetresi

Bir kilogram buharın yoğunlaşıp aynı sıcaklıkta su haline dönüşürken verdiği ısı da, başka bir ısı birimi olarak tarif edilir. Bugünkü durumuna fizikçi John Joly'in çalışmalarıyla gelmiştir. Hassas bir terazinin bir kefesine sahib olduğu sıcaklığı ölçülecek cisim konur. Cismin sıcaklığı kendisini saran buharın sıcaklığına çıkarken, buharın bir kısmı cisim üzerinde yoğunlaşır. Daha sonra cisim tartılarak yoğunlaşmış olan buharın ağırlığı bulunur. Bu kadar buharın yoğunlaşması için gerekli olan ısı miktarı, cismin bulunduğu sıcaklıktan, buharın sıcaklığına gelmesi için gerekli olan ısı miktarına eşit olacaktır.

Kalorimetre bombası (kap kalorimetresi)

Kalorimetre bombası, bir reaksiyondaki yanma ısısını ölçmek için kullanılan bir kalorimetre cinsidir. Kalorimetre bombaları reaksiyon sonucu oluşan basınca ve güce karşı koymak zorundadır. Yakıtı tutuşturmak için elektrik enerjisi kullanılır, yakıt yanmasıyla birlikte etrafındaki havayı ısıtır. Isınan hava genleşerek kalorimetrenin hava çıkışındaki tüpe doğru gider. Hava bakır tüpten geçerken aynı zamanda tüpün dışındaki suyu da ısıtır. Suyun sıcaklığındaki artış miktarı yakıtımızın kalorisini hesaplamamıza yardımcı olur.

Yeni kalorimetre tasarımlarında bomba tek bütün olarak elektrikle tutuşturulmadan önce belirli bir miktar yakıt ve yüksek basınçlı oksijen(genelde 20 atm) ve belirli miktardaki su ile çevrelenir. Bomba – yakıt ve oksijen – kapalı bir sistem oluşturur ve reaksiyon esnasında hava çıkışı olmaz. Yanma sırasında oluşan enerjiyle çelik bombanın, bileşenlerin ve suyun sıcaklığı yükselir. Ve böylece suyun sıcaklığındaki değişim doğru şekilde ölçülür. Bu sıcaklık artışı bir bomba faktörüyle (metal bombanın parçalarının ısı kapasitesine bağlı olan) beraber yanan yakıtın verdiği enerjiyi ölçmede kullanılır. Sıcaklık değişimi hesaplandıktan sonra bomba içindeki yüksek basınç dışarı verilir.

Temel olarak, bu düzenek basit kalorimetrelerden daha iyidir, çünkü hesaplanmayan ısı kaybına çok fazla izin vermez.