Calorimeter - Wêreldensiklopedie - Ek wil alles weet - 2020
Die wêreld se eerste ys-kalorimeter. Antoine Lavoisier en Pierre-Simon Laplace het dit in die winter van 1782-83 gebruik om die hitte wat tydens verskillende chemiese veranderinge geproduseer is, te bepaal. Hierdie eksperimente was die grondslag van die veld van termochemie.
A kaloriemeter is 'n instrument wat gebruik word om die hoeveelheid hitte wat deur materie opgeneem of vrygestel word te meet wanneer dit 'n chemiese reaksie of fisiese verandering ondergaan. Histories het sulke presisie-metings gehelp om 'n venster oop te maak op die molekulêre en atoomstruktuur van materie, omdat die beweging van molekules en atome in materie gesamentlik 'n hoeveelheid hitte-energie bevat wat kenmerkend is vir elke soort stof en die chemiese reaksies daarvan. Op grond van sulke kalorimetriese metings het wetenskaplikes tabelle ontwikkel wat die hittekapasiteit van stowwe gee. Die gegewens wat deur middel van kalorimeters vervaardig is, is die grondslag vir die ontwikkeling van tegnologieë soos stoomketels, turbines, vuurpylenjins, binnebrandenjins, olieraffinaderye en plastiekproduksiefabrieke.
'N Algemeen aanvaarde verwysingsmateriaal wat in baie kalorimeter gebruik word, is water, omdat dit 'n hoë en presies gemete hittekapasiteit het, maklik is om mee te werk en maklik beskikbaar is. 'N Eenvoudige tipe kalorimeter bestaan ​​uit 'n geïsoleerde waterhouer met 'n termometer in die water. Om die hittekapasiteit van gesmelte lood te meet, kan 'n ondersoeker byvoorbeeld 'n bak gesmelte lood in die kalorimeter plaas en die temperatuurval van die koelleiding en die ooreenstemmende temperatuurstyging van die water aanteken. Deur die massa van sowel die water as die lood te ken, sal die ondersoeker genoeg inligting hê om die hittekapasiteit van die lood te bereken.
Kalorimeters bestaan ​​in baie verskillende soorte, sommige is gemik op die meting van die hittekapasiteit van nuwe materiale (differensiële skandering kalorimeters), terwyl ander so verskillende aspekte meet soos die hitte wat gegenereer word deur nuwe of ongetoetste reaksies (isotermiese mikrocalorimeters), verbrandingshitte en brandstempo ( versnelde snelheid kalorimeters), en die energie van elementêre deeltjies (elektromagnetiese en hadroniese kalorimeters).
Die woord "kalorimeter" is afgelei van die Latynse woord calor, wat beteken hitte. Die metode of proses om sulke metings uit te voer, word genoem kalorimetrie.
Die berekening van die hittekapasiteit van gesmelte lood gebaseer op data wat in die voorbeeld hierbo versamel is, is nodig deur die formule te gebruik
V = SMΔT
waar Q die hoeveelheid hitte is, s is die spesifieke hitte (die hittekapasiteit van die materiaal gedeel deur die hittekapasiteit van water), m is die massa van die materiaal, en ΔT is die temperatuurverandering. Binne die kalorimeter verloor die hitte deur die lood (Vl) is, tot die eerste benadering, gelyk aan die hitte wat deur die water verkry word (Qw). In hierdie geval, (SMΔT)l moet gelyk wees aan (SMΔT)w. Aangesien die enigste onbekende hoeveelheid hier is sl, dit kan volgens die formule bereken word
Om meer insig te kry oor die ingewikkelde energiedinamika in selfs die mees inerte en rustigste materiaal, pas wetenskaplikes kalorimetriese metings toe op die subtiele konsep van entalpie, 'n maatstaf van die interne energie van 'n stelsel met konstante druk. Vir elke stof is die interne energie-inhoud (U), soos vergestalt in die bewegings van die molekulêre en atoomvlakkomponente, nie net afhanklik van die temperatuur (T) nie, maar ook van die druk (P) en volume (V).
Entalpie (H) word gedefinieer as H = U + PV. In woorde, entalpieverandering (ΔH) is die hoeveelheid hitte wat vrygestel of opgeneem word wanneer 'n chemiese reaksie by konstante druk plaasvind. (Gestandaardiseerde entalpie-metings word dikwels uitgedruk in terme van 1 mol van 'n stof X, wat 'n hoeveelheid X is gelyk aan die molekulêre gewig van X, uitgedruk in gram.) Om die entalpieverandering per mol van 'n vloeibare stof X te vind, byvoorbeeld , in reaksie met vloeistof Y, word die twee vloeistowwe binne die kalorimeter gemeng en die aanvanklike en finale (nadat die reaksie voltooi is) word die temperatuur opgemerk. Werk met die basiese formule, Q = SMΔT en vermenigvuldiging van die temperatuurverandering tussen die massas en die spesifieke hittekapasiteit van die twee vloeistowwe, is 'n verdere berekening moontlik, wat 'n waarde lewer vir die energie wat tydens die reaksie afgegee word (as die reaksie eksotermies was). Deur die energieverandering te deel deur die aantal mol X teenwoordig, word die entalpie van reaksie verander. Hierdie metode word hoofsaaklik in akademiese onderrig gebruik, aangesien dit die teorie van kalorimetrie beskryf. Dit is egter nie verantwoordelik vir die hitteverlies deur die houer of die hittekapasiteit van die termometer en die houer self nie.
'N Voorbeeld van 'n reaksie-kalorimeter
A Reaksie kalorimeter meet die hitte-energie wat vrygestel of opgeneem word tydens 'n reaksie binne die kalorimeter. Dit is die standaardinstrument wat gebruik word om verwarmings van industriële prosesse te meet. Reaksie kalorimetrie kan ook gebruik word vir die bepaling van die maksimum tempo van hittevrystelling in chemiese prosesingenieurswese.
'N Bomkalorimeter is 'n tipe reaksie-kalorimeter wat gebruik word om die verbrandingshitte van 'n bepaalde reaksie te meet. Bomkalorimeters moet sterk druk en krag weerstaan ​​wanneer die reaksie gemeet word. Elektriese energie word gebruik om die brandstof aan te steek. Terwyl die brandstof brand, word dit die omringende lug verhit, wat uitsit en ontsnap deur 'n koperbuis wat deur water op pad uit die kalorimeter gaan. Die temperatuurverandering van die water wat verhit word deur die lug wat deur die koperbuis ontsnap, is die meting wat nodig is om die energie-inhoud van die brandstof te bereken.
In meer onlangse kalorimeter word die hele bom, onder druk met suiwer suurstof (gewoonlik ongeveer 30 atm) en onder 'n bekende massa brandstof, onder die water geplaas voordat die lading (weer, elektries) aangesteek word. Die temperatuurverandering in die water word dan akkuraat gemeet. Hierdie temperatuurstyging, tesame met 'n bomfaktor (wat afhang van die hittekapasiteit van die metaalbomonderdele), word gebruik om die energie wat deur die brandende brandstof uitgegee word, te bereken. Daar word 'n klein korreksie aangebring om rekenskap te gee van die elektriese energie-inset en die brandende lont.
Differensiële skandering kalorimeter
In 'n differensiële skandering kalorimeter (DSC), hitte vloei na 'n monster - wat gewoonlik in 'n klein aluminiumkapsule of 'pan' bevat word - word onderskeidelik gemeet; dit wil sê deur dit met die vloei in 'n leë verwysingspan te vergelyk.
In 'n warmtevloei DSC, albei panne sit op 'n klein plaat materiaal met 'n bekende hittebestandheid. Die temperatuur van die kalorimeter word verhoog met 'n konstante verhittingstempo, 'n doelwit wat goeie ontwerp en goeie (gerekenariseerde) temperatuurbeheer benodig. 'N Hitte-vloed DSC kan ook gebruik word vir eksperimente wat gekontroleerde afkoeling of konstante temperatuur benodig.
Tydens die eksperimente vloei hitte deur die geleiding na die twee panne, en die warmtevloei na die monster is groter as gevolg van die groter hittekapasiteit van die monster. Die verskil in die hittestroom in die twee panne veroorsaak 'n klein temperatuurverskil oor die plaat. Hierdie temperatuurverskil word gemeet met behulp van 'n termokoppel. Die hittekapasiteit kan in beginsel deur hierdie sein bepaal word. Differensiële skandering kalorimetrie is 'n werkhekstegniek in baie velde, veral in polimeer karakterisering.
Isotermiese titrasie kalorimeter
In 'n isotermiese titrasie kalorimeter, die reaksiewarmte word gebruik om 'n titrasie-eksperiment te volg, waarin die konsentrasie van 'n onbekende reagens bepaal word deur 'n standaardkonsentrasie van 'n ander reagens te gebruik wat chemies met die onbekende reageer. Dit laat die bepaling van die middelpunt van 'n reaksie sowel as ander sleutelparameters toe. Die tegniek is belangriker, veral op die gebied van biochemie, omdat dit die bepaling van die substraatbinding aan ensieme vergemaklik. Die tegniek word gereeld in die farmaseutiese industrie gebruik om potensiële medisyne-kandidate te kenmerk.
X-straal mikrokalorimeter diagram
In 1982 word Moseley et al, 'n nuwe benadering tot nie-verspreidende X-straalspektroskopie, gebaseer op die meting van hitte eerder as lading, voorgestel. (1984). Die detektor, wat die basis van die X-straal-mikrokalorimeter is, werk deur die warmtepulse wat deur X-straalfotone opgewek word, waar te neem wanneer dit as hitte-energie in 'n materiaal opgeneem word. Die temperatuurverhoging is direk eweredig aan fotonenergie. Hierdie uitvinding kombineer 'n hoë detektor-doeltreffendheid met 'n hoë energie-resolusie, hoofsaaklik haalbaar omdat dit teen 'n lae temperatuur gebruik word.
Hierdie kryogene mikrokalimeters het 'n termometer om die temperatuurverandering te meet van 'n massa met lae hitte-kapasiteit wat in beginsel nie blootgestelde fotone in die X-straalreeks kan absorbeer nie, maar ook in die ultraviolet, sigbare of naby infrarooi reekse. Hierdie massa word deur 'n swak skakel met 'n lae-temperatuur koelkas gekoppel, wat die termiese isolasie bied wat nodig is om 'n temperatuurverhoging te voorkom. Gebaseer op die oorspronklike innoverende benadering, brei 'n groot ontwikkelingspoging steeds die gebied van kryogene mikrokalorimetrie uit. Die eerste astronomiese ruimtetuig met kryogene mikrokalimeters was die wentelende x-straal-sterrewag Suzaku / Astro-E2 wat in Julie 2005 gelanseer is. NASA sowel as ESA het planne vir toekomstige missies (Constellation-X en XEUS) wat 'n soort mikro- Calorimeters.
Hoë-energie deeltjie kalorimeter
In deeltjiesfisika is 'n kalorimeter 'n komponent van 'n detektor wat die energie van deeltjies wat binnedring, meet.
Terwyl wetenskaplikes met kalorimeters ontwikkel en gewerk het, het die nuwe veld van kalorimetrie ontwikkel parallel met die missie om die hoeveelheid hitte wat opgeneem of vrygestel word, te meet wanneer materie 'n verandering in die fisiese, chemiese of elektriese toestand ondergaan. As 'n vakgebied op sigself, gee kalorimetrie 'n oorsig oor die hele geskiedenis en verskeidenheid kalorimeters en bied dit 'n nuttige manier om na hul verskillende soorte te kyk.
"Indirekte kalorimetrie" bereken die hitte wat deur lewende organismes gegenereer word wanneer hul metaboliese prosesse afval koolstofdioksied en stikstof oplewer. Lavoisier het in 1780 opgemerk dat hitteproduksie voorspel kan word deur suurstofverbruik deur lewende organismes. Die teorie van Dynamic Energy Budget verduidelik waarom hierdie prosedure geldig is. Natuurlik kan hitte wat deur lewende organismes gegenereer word ook gemeet word deur direkte kalorimetrie, waarin die hele organisme binne die kalorimeter geplaas word vir die meting.
Konstante-volume kalorimetrie met behulp van 'n konstante-volume kalorimeter, beperk die toetsstelsel om geen werk te verrig nie, dus is die warmtewins of -verlies gemeet aan die verandering in interne energie van die stelsel. Die vergelyking vir konstante-volume kalorimetrie is:
ΔU = verandering in interne energie
CV = hittekapasiteit van die stelsel van volume V
Aangesien die konstante volume kalorimetrie nie konstant gehou word nie, is die gemeet warmte nie die entalpieverandering nie.
Konstante-druk kalorimetrie gebruik 'n kalorimeter met konstante druk meet 'n hoeveelheid warmte-energie-uitwisseling gelyk aan die verandering in interne energie van die stelsel minus die werk (w) wat verrig is:
Sedert in kalorimetrie met konstante druk, druk word konstant gehou, die gemeet hitte verteenwoordig die entalpieverandering:
Larijani, Bananshé, Colin A. Rosser, en Rudiger Woscholski, red. 2006. Chemiese biologie: tegnieke en toepassings. West Sussex, Engeland: John Wiley en Sons, Ltd. ISBN-13 978-0-470-09064-0
Beezer, A.E., red. 1980. Biologiese mikrokalorimetrie. New York: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-083550-9
Besancon, Robert M., red. 1985. The Encyclopedia of Physics, 3de uitg. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0-442-25778-3