Калориметрия

Калориметрия, отдел физики, занимающийся измерением тепловой энергии. В частности, здесь изучаются способы измерения: а) теплоемкостей твердых, жидких и газообразных тел; б) скрытых теплеть плавления, испарения и т. п.; в) теплот растворения; г) количеств теплоты, выделяемых или поглощаемых при различных химических реакциях, в особенности при горении; д) количеств теплоты, получаемых при затрачивании механической работы, электрической энергии и других видов энергии. Приборы, служащие для этих измерений, называются калориметрами; особый прибор, которым, кроме того, пользуются при определении теплот горения, называется калориметрической бомбой. Наиболее употребительный тип калориметра состоит из сосуда с двойными или тройными стенками для уменьшения потери теплоты теплопроводностью; емкость сосуда — от ½  до 1 литра; в сосуде — термометр и мешалка. В сосуд наливают известное количество воды (m граммов) при известной температуре t°; туда же опускают тело, тепловая энергия которого подвергается исследованию. Пусть первоначальная температура этого тела будет Т°, а окончательная температура тела и калориметра Ф°. Отсюда вытекает, что исследуемое тело, охладившись на (Т—Ф)°, уступило воде калориметра количество энергии, равное m (Т—Ф) калорий (при измерениях, сколько-нибудь точных, надо принять в расчет еще теплоемкость самого калориметра с термометром и мешалкой). Такой прием называется способом смешения. Способ ледяного калориметра основан на определении количества льда, превращаемого в воду той теплотой, которую отдает испытуемое тело, охлаждаясь от своей первоначальной температуры до 0°.  Употребляются также различные другие виды калориметров. Некоторые физиологические опыты над питанием человеческого организма делаются при помощи очень больших калориметров, в которых можно ходить, сидеть или лежать. В такой калориметр помещается субъект, служащий для опыта, и остается там в течение нескольких часов, даже дней (см. приложение).

А. Бачинский.

Калориметры.

Рис.1

Применение калориметрической бомбы Бертло позволило определять теплоту горения органических соединений с точностью до 0,2%; бомба (рис. 1) состоит из толстостенного большого сосуда А, покрытого изнутри платиной. Клапан, закрываемый винтом а, позволяет вводить кислород под давлением до 25 атмосфер. Крышка В с нижней и внутренней стороны покрыта толстым слоем платины. Предназначенное для сожжения вещество находится в платиновой чашечке, подвешенной в середине бомбы. Воспламенение производится следующим образом: над самой чашечкой находится тонкая железная проволока, чрез которую можно пропустить электрический ток, причем проволока загорается, и накаленные добела капельки окиси железа, образующейся при горении, падают на вещество и воспламеняют его. Твердые и нелетучие вещества помещают прямо в чашечку, летучие же жидкости заключают в капсюли из коллодия. Ввиду дороговизны бомбы Бертло, Гсмпель, а затем Малер, Крокер предложили заменить дорого стоящую платину особого рода огнестойкой эмалью, что позволило значительно расширить применение бомбы для технических целей, а именно для определения теплоты сгорания различных сортов топлива и т. п.

В  последнее время измерение теплоты, выделяемой животными, начатое еще Лавуазье и Лапласом, достигло большой точности, несмотря на громадные размеры употребляемых для этой цели приборов. В Америке, благодаря деятельности покойного профессора W. О. Atwater'а подобного рода опыты получили широкое распространение; для них на средства Института Карнеги построена лаборатория питания (Nutrition Laboratory) в Бостоне.

Исследования в области питания, которым посвящена эта лаборатория, имеют целью определить как количество энергии (теплоты), так и количество углекислоты и испаряемой воды, выделяемые человеком за известный период и при различных условиях, например, при покое, работе и т. п. Для этого исследуемый человек помещается в громадный калориметр и остается там в течение нескольких часов и даже дней.

Калориметр представляет большую камеру, окруженную стенками, непроницаемыми ни для тепла, ни для газов. Она таких размеров, что в ней можно свободно ходить, сидеть или лежать (рис. 2), например 6 ½  футов длиной, 6 ½  футов высотой и 4 фута шириной. Камера имеет двойные стенки, из коих внутренняя — медная, а наружная — цинковая. Сбоку камеры находится большое отверстие, герметически закрытое большим стеклом, позволяющим читать и писать. Это отверстие служит  и дверью, и окном. Другое отверстие, меньшее (рис. 2), позволяет передавать пищу в  комнату. По стенам  камеры внутри находятся вешалки для платья, полки для книг, пищи, стол, кресло и т. п., смотря по опыту; например, если требуется определить количество выделяемой теплоты при совершении мускульной работы, то – эргометр  и т. п.

Для того, чтобы воздух в комнате постоянно вентилировался, он вводится по трубе с одного конца камеры, а выводится с другого при помощи электрического вентилятора, в количестве 75 литров каждую минуту. Воздух, выходящий из камеры, проходит через ряд сосудов, которые поглощают воду и угольный ангидрид. Определяя вес сосудов до и после опытов, узнают количество выдыхаемой воды и угольного ангидрида.

Рис. 2. Горизонтальное сечение через калориметр, в котором можно сидеть. А, А, А — медная стенка; В, В, В — цинковая. С—С — отверстие для передачи пищи и т. п. Выше этого отверстия труба, приводящая, и труба, выводящая  воздух. L — труба, приводящая воду, и М — труба, выводящая воду. Слева виден телефон, а в центре — кресло, с подножкой С. G—G — пространство, заполненное воздухом, неподвижным, находящимся между стенами медной и цинковой F — наружная асбестовая стенка.

Рис. 3. Сечение через калориметр, в котором можно спать.

Тепло, выделяемое субъектом в камере, уносится током холодной воды, проходящей через небольшую медную трубку, подвешенную близко к потолку камеры. Метод удаления теплоты из камеры противоположен довольно распространенному водяному отоплению комнат: в последнем случае теплота, приносимая горячей водой, вдеть на нагревание воздуха и предметов, находящихся в комнате, которые постоянно охлаждаются как вследствие вентиляции, так и от потери тепла стенками комнаты; в калориметре же источником тепла   служит процесс дыхания испытуемого субъекта, и температура воздуха камеры должна от этого повышаться; если же по вышеописанным трубам будет течь холодная вода, то, нагреваясь от воздуха, она будет уносить тепло; регулируя же приток воды, можно достигнуть того, что температура воздуха камеры будет оставаться постоянной. В таком случае тепло, выделяемое испытуемым субъектом, будет равно тому количеству тепла, которое уносятся притекающей водой. Последнее же можно вполне точно определять, зная как количество протекающей воды за известный период времени, так и разность между температурами воды при входе и выходе ее из камеры.

Более подробное описание производства подобного рода приборов и опытов можно найти в следующих изданиях: 1) «Respiration Calorimeters for Studying the Respiratory Exchange and Energy Transformations of Man» by Francis G. Benedict and Thorne М. Carpenter. Waschington. Pub. by the Carnegie Institution of Waschington. 1910. 2) «Kalorimetrische Methodik» von Dr. W. Glikin. Berlin. 1911, а также в «Истории Нашего Времени» изд. Гранат и K^о, в статье Ив. Каблукова «Химия».

Рис. 4. Вертикальное сечение калориметра и большие весы, позволяющие взвешивать человека, сидящего в кресле.

И. Каблуков.