Калориметрийн хэлэлцүүлгийн асуултуудын жишээ
Физикийн хувьд калориметр нь химийн урвал эсвэл физик өөрчлөлтийн үед дулааныг хэмжих аргыг судалдаг шинжлэх ухааны нэг салбар юм. Дулааны хэмжээг хэмжихэд ашигладаг багажийг калориметр гэж нэрлэдэг. Калориметр нь ялангуяа термодинамик болон физик химийн салбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд дулааны энергийн өөрчлөлтийг ажиглаж, хэмждэг.
Калориметрийн үндсэн зарчмууд
Калориметрийн үндсэн зарчим нь энерги хадгалагдах хууль дээр суурилдаг бөгөөд тухайлбал энерги үүсч, устаж үгүй болохгүй, зөвхөн нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжиж болно. Калориметрийн хүрээнд системийн алдсан дулааны энерги нь хүрээлэн буй орчноос шингээсэн дулааны энергитэй тэнцүү байх ёстой. Калориметрийн туршилтын гол хэрэгсэл нь ихэвчлэн калориметр бөгөөд энэ нь энгийн калориметр, тухайлбал усны калориметр, эсвэл бөмбөгний калориметр гэх мэт илүү төвөгтэй калориметр байж болно.
Калориметрийн үндсэн томъёо
Калориметрийн үндсэн томъёо нь:
\[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
ди мана:
– \( Q \) нь дулааны хэмжээ (жоул эсвэл калориор)
– \( m \) нь бодисын масс (грамм эсвэл килограммаар)
– \( c \) нь бодисын хувийн дулаан (Ж/(г°C) эсвэл кал/(г°C)-ээр)
– \( \Дельта T \) нь температурын өөрчлөлт (°C-ээр)
Калориметрийн ойлголт болон хэрэглээг илүү сайн ойлгохын тулд зарим жишээ асуулт, хэлэлцүүлгийг авч үзье.
Жишээ асуултууд ба хэлэлцүүлэг 1
Асуулт:
200 грамм жинтэй металл хэсгийг 100°C хүртэл халаагаад 20°C-д 100 грамм усанд дүрнэ. Хольцын эцсийн температур нь 27°C байна. Металлын хувийн дулааныг тодорхойлно уу! (усны хувийн дулаан = 4,18 Ж/(г°C))
Хэлэлцүүлэг:
Эхний алхам бол усанд шингээгдсэн дулааныг тооцоолох явдал юм. Үндсэн томъёог ашиглан:
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot \Delta T_{\text{air}} \]
\( m_{\text{air}} = 100 \) грамм, \( c_{\text{air}} = 4.18 \) Ж/(г°C), болон \( \Delta T_{\text{air}} = 27°C – 20°C = 7°C \), үед
\[ Q_{\text{air}} = 100 \удаа 4.18 \удаа 7 = 2926 \text{ J} \]
Металлын ялгаруулдаг дулаан нь усанд шингээгддэг дулаантай ижил байдаг тул:
\[ Q_{\text{metal}} = 2926 \text{ J} \]
Дулааны томъёог ашиглан:
\[ m_{\text{metal}} \cdot c_{\text{metal}} \cdot \Delta T_{\text{metal}} = Q_{\text{metal}} \]
m_{\text{metal}} = 200 грамм, \(\Delta T_{\text{metal}} = 100°C – 27°C = 73°C \) үед
\[ 200 \cdot c_{\text{metal}} \cdot 73 = 2926 \text{ J} \]
\[ c_{\text{metal}} = \frac{2926}{200 \удаа 73} \]
\[ c_{\text{metal}} = 0.2 \text{ J/(g°C)} \]
Тиймээс металлын хувийн дулаан нь 0.2 Ж/(г°C) байна.
Жишээ асуултууд ба хэлэлцүүлэг 2
Асуулт:
0°C температурт 50 г масстай мөсний хэсгийг калориметрт 30°C температурт 200 г усанд хийж байна. Дулааны тэнцвэрт байдалд хүрсний дараах хольцын эцсийн температурыг тодорхойлно уу! (мөсний хайлах дулаан = 334 Ж/г, усны хувийн дулаан = 4,18 Ж/г°C)
Хэлэлцүүлэг:
Эхний алхам бол мөс хайлуулахад шаардагдах дулааныг тооцоолох явдал юм.
\[ Q_{\text{melt}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
m_{\text{es}} = 50 грамм ба l = 334 Ж/г байх үед,
\[ Q_{\text{хайлах}} = 50 \удаа 334 = 16700 \text{ J} \]
Дараа нь, хайлсны дараа мөсөнд шингээгдсэн дулааныг эцсийн температурт (T нь хольцын эцсийн температур гэж үзвэл) хүрэхийн тулд олно уу:
\[ Q_{\text{мөсөн ус}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (T – 0°C) \]
нь \( c_{\text{air}} = 4.18 \text{ J/g°C} \),
\[ Q_{\text{water ice}} = 50 \үргэлжлэл 4.18 \үргэлжлэл T \]
Хүйтэн усаар ялгардаг дулаан (30°C-аас T хүртэл):
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (30°C – T) \]
m_{\text{air}} = 200 граммтай үед,
\[ Q_{\text{air}} = 200 \удаа 4.18 \удаа (30 – T) \]
Дулааны тэнцвэрт байдалд мөсөнд шингээсэн дулааны хэмжээ (хайлж, Т хүртэл халаах) нь усаар ялгарсан дулааны хэмжээтэй тэнцүү байна:
\[ Q_{\text{хайлмал}} + Q_{\text{мөсөн ус}} = Q_{\text{ус}} \]
\[ 16700 + 50 \үргэлжлэл 4.18 \үргэлжлэл T = 200 \үргэлжлэл 4.18 \үргэлжлэл (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 8360 \удаа (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 - 8360T \]
\[ 8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \ойролцоогоор 27.3°C \]
Тиймээс дулааны тэнцвэрт байдалд хүрсний дараа хольцын эцсийн температур ойролцоогоор 27.3°C байна.
Дүгнэлт
Калориметр нь физик болон химийн процесст дулааны энергийн хэмжээг тодорхойлоход ашиглагддаг физик, химийн чухал арга юм. Калориметрийн үндсэн зарчим, томъёог ашиглан бид бодисын хувийн дулаан, температурын өөрчлөлт, эсвэл процесст шингээсэн/ялгарсан энерги зэрэг янз бүрийн параметрүүдийг тооцоолж чадна. Энэ нийтлэлд бид калориметрийг ойлгох хүрээнд жишээ бодлого болон тэдгээрийн шийдлүүдийг авч үзсэн. Эдгээр ойлголтуудыг сайн ойлгох нь янз бүрийн термодинамикийн асуудлууд болон бусад практик хэрэглээг шийдвэрлэхэд чухал ач холбогдолтой.
