Questo articolo spiega cos’è un calorimetro e a cosa serve. Inoltre, scoprirai i diversi tipi di calorimetri esistenti e come funziona questo strumento di misura.
Cos’è un calorimetro?
Un calorimetro è uno strumento di laboratorio utilizzato per misurare la quantità di calore ricevuto o ceduto da un corpo. Inoltre, il calorimetro è uno strumento utilizzato per determinare il calore specifico di una sostanza.
Ad esempio, un calorimetro può essere utilizzato per misurare l’energia sotto forma di calore rilasciato durante una reazione chimica.
I calorimetri più moderni sono in grado di lavorare in un ampio intervallo di temperature, alcuni possono arrivare a 3500 K. Inoltre attualmente i calorimetri sono molto precisi, possono avere una precisione inferiore all’1%, anche se questo dipende dalle caratteristiche e dalla uso del calorimetro.
In calorimetria le applicazioni del calorimetro sono numerose. I calorimetri possono essere utilizzati per eseguire uno studio biologico, eseguire controlli di qualità o persino esaminare il tasso biologico.
Parti di un calorimetro
Considerando la definizione di calorimetro, le parti di un tipico calorimetro sono spiegate di seguito:
- Termometro : permette di misurare la temperatura all’interno del calorimetro.
- Agitatore : parte del calorimetro che viene continuamente agitata per aumentare la temperatura della miscela.
- Coperchio : coperchio che può essere aperto e chiuso per introdurre la miscela da studiare.
- Miscela : è la sostanza per la quale si vuole effettuare l’analisi calorica.
- Strati isolanti : il contenitore del calorimetro deve isolare termicamente la miscela dall’esterno, in modo che la temperatura ambiente non lo influenzi. Per questo motivo sono generalmente costituiti da due strati di isolamento termico, solitamente polistirolo.
Tipi di calorimetri
I diversi tipi di calorimetri sono i seguenti:
- Calorimetro adiabatico : I calorimetri adiabatici vengono utilizzati per studiare reazioni adiabatiche isolate, cioè non può avvenire scambio di calore con l’esterno. Tuttavia, una certa quantità di calore viene sempre persa, quindi di solito viene applicato un fattore di correzione per compensare.
- Calorimetro di reazione – All’interno del calorimetro, che è chiuso e isolato, avviene un processo chimico. In generale viene utilizzato per determinare il calore liberato da una reazione; viene utilizzato anche in reazioni che richiedono una temperatura costante.
- Calorimetro del flusso di calore – Con questo tipo, una camicia di riscaldamento/raffreddamento controlla la temperatura del processo fisico. Il calore di reazione viene determinato misurando la differenza di temperatura tra il fluido termovettore e il fluido di processo. Sono meno precisi di altri tipi di calorimetri.
- Calorimetro a bilancio termico : questo tipo di calorimetro richiede anche una camicia di riscaldamento/raffreddamento per controllare la temperatura di processo. Il calore viene misurato monitorando il calore acquisito o perso dal fluido di trasferimento.
- Calorimetro a compensazione energetica : in questo caso, viene utilizzato un riscaldatore aggiunto al contenitore per mantenere una temperatura costante. L’energia di riscaldamento può essere regolata in base alle esigenze della reazione.
- Calorimetro a flusso costante – Questo tipo di calorimetro mantiene un flusso costante di calore attraverso la parete del contenitore.
- Calorimetro della bomba : questo tipo di calorimetro viene utilizzato per calcolare il calore di combustione. È comune che venga applicata una scintilla elettrica per accendere il carburante. Inoltre, funzionano a pressioni molto elevate.
- Calorimetro tipo Calvet : questi calorimetri utilizzano un sensore di flusso 3D. Sono particolarmente adatti per campioni di grandi dimensioni poiché consentono l’uso di recipienti di reazione di dimensioni maggiori.
- Calorimetro a pressione costante : questo tipo di calorimetro viene utilizzato per misurare la variazione di calore in una soluzione a pressione costante.
- Calorimetro a scansione differenziale – Di solito sono presenti due vassoi, un vassoio per campioni e un vassoio di riferimento. Il vassoio dei campioni contiene il campione mentre il vassoio di riferimento rimane vuoto. Ciascun contenitore viene riscaldato separatamente a una velocità specifica e questa velocità viene mantenuta durante l’esperimento. Tuttavia, un sistema informatico garantisce che ciascuna padella si riscaldi alla stessa velocità, in modo che sia possibile effettuare una misurazione. Il riscaldatore sotto il vassoio dei campioni deve lavorare di più rispetto al vassoio di riferimento vuoto, il che significa che produce più calore. Il calorimetro effettua quindi la misurazione in base alla differenza della quantità di calore emessa nelle teglie.
- Calorimetro di titolazione isotermico – In questo tipo, il calore di reazione viene utilizzato per monitorare un esperimento di titolazione. È possibile determinare il punto medio della reazione, la sua entalpia e la sua affinità di legame. Questo tipo di calorimetro è molto utile nell’industria farmaceutica per classificare potenziali farmaci candidati.
Come funziona un calorimetro
Come hai visto nella sezione precedente, esistono molti tipi di calorimetri, quindi ognuno funziona in modo diverso. Di seguito viene spiegato come viene utilizzato il calorimetro adiabatico, poiché è il più utilizzato negli esperimenti di laboratorio.
Il funzionamento del calorimetro si basa sull’agitazione dello shaker. Prima di utilizzare l’agitatore è logico introdurre il campione nel calorimetro. E una volta chiuso il coperchio per isolare il campione, l’agitatore deve essere spostato rapidamente, quindi la temperatura del campione aumenterà. Con il termometro puoi vedere a quale temperatura si trova il campione.
Successivamente, dopo aver agitato il campione, vengono effettuate le relative misurazioni. In modo che i risultati possano essere confrontati con i dati misurati prima di riscaldare il campione. E con tutti i dati raccolti durante l’esperimento è possibile effettuare calcoli, come ad esempio la variazione di entalpia prodotta nel processo adiabatico.
Differenza tra un calorimetro e un termometro
La differenza tra un calorimetro e un termometro è la quantità termica che misurano. Un calorimetro viene utilizzato per misurare la quantità di calore acquisito o perso, mentre un termometro viene utilizzato per misurare la temperatura di un corpo.
Il calorimetro e il termometro sono strumenti comuni negli esperimenti termodinamici. Infatti un calorimetro integra un termometro per determinare la temperatura interna.