Измерения теплоемкостей твердых тел и жидкостей

Прямой метод измерения теплоемкости тел большой плотности, какими являются жидкие и твердые тела, основан на измерении теплоты DQ, которую сообщают калориметру вместе с исследуемым телом, и измерении соответствующего изменения температуры тела DT. Теплоемкость определяется как DQ/DT. При этом величина DQ/DT равна суммарной теплоемкости и исследуемого тела и калориметра. Для выделения теплоемкости тела дополнительно проводят измерения теплоемкости калориметра без исследуемого тела. Данный метод применяют для измерения теплоемкости при температурах, начиная от наиболее низких, достижимых в настоящее время, до комнатных. При измерениях приходится иметь в виду, что теплоемкость может зависеть от температуры (как правило, именно эта зависимость и представляет интерес для исследований).

Современный калориметр представляет собой довольно сложное устройство, которое включает в себя калориметрический сосуд (часто очень сложного устройства), снабженный электрическим нагревателем и термометром, и криостат с хладагентом.

Одна из сложнейших проблем при измерении DQ заключается в исключении или в правильном учете тепловых потерь (трудно учитываемое тепло, отданное во внешнюю среду). Существует метод измерения теплоемкости, в котором утечка тепла является не помехой, а полезным явлением. Измерения проводятся в слабо неравновесной системе. Измерительная установка включает в себя термостат (1) с фиксированной температурой T0, контейнер (2), изготовленный из материала с малой теплопроводностью, внутрь которого помещается исследуемый образец (3), термопара для измерения разности температур образца T и термостата. Образец с помощью нагревателя (4) нагревается до некоторой первоначальной температуры. Затем нагреватель отключается. Из-за слабого теплообмена образец начинает остывать. Измеряя термо ЭДС получают зависимость температуры образца от времени t.

Идея метода заключается в следующем. Из закона сохранения энергии следует, что скорость изменения внутренней энергии образца равна тепловому потоку, который, в свою очередь, пропорционален разности температур образца и термостата. Поэтому можно записать:
(1)
где k - коэффициент теплопередачи, N – скорость совершения работы образцом. Скорость изменения внутренней энергии образца равна
(2)
Измерения проводятся обычно при постоянном давлении, поэтому
. (3)
Изменения объема с температурой жидких и твердых тел, как правило, - малые величины, поэтому с хорошей точностью слагаемым N в левой части уравнения (1) можно пренебречь. Таким образом, с учетом, что
, (4)
уравнение (1) приводится к виду
(5)

Разность температур ( T-T0 ) как функция времени, экспериментально измеряемая величина; коэффициент k можно измерить в независимом опыте. Поэтому, используя уравнение (5), из данных описанного выше эксперимента можно получить зависимость CV(T).