Jeg vil vide alt

Kalorimeter

Pin
Send
Share
Send


Verdens første is-kalorimeter. Antoine Lavoisier og Pierre-Simon Laplace brugte det om vinteren 1782-83 til at bestemme den producerede varme under forskellige kemiske ændringer. Disse eksperimenter markerede grundlæggelsen af ​​området for termokemi.

EN kalorimeter er et instrument, der bruges til at måle mængden af ​​varme, der er absorberet eller frigivet af stof, når det gennemgår en kemisk reaktion eller fysisk ændring. Historisk set har sådanne præcisionsmålinger hjulpet med at åbne et vindue mod stofens molekylære og atomære struktur, fordi bevægelsen af ​​molekyler og atomer i stof kollektivt bærer en mængde varmeenergi, der er karakteristisk for hver type stof og dets kemiske reaktioner. Baseret på sådanne kalorimetriske målinger har forskere udviklet tabeller, der giver stoffers varmekapacitet. Data produceret af kalorimetre har fundet grundlæggende for udviklingen af ​​sådanne teknologier som dampkedler, turbiner, raketmotorer, forbrændingsmotorer, olieraffinaderier og plastproduktionsfabrikker.

Et bredt accepteret standardreferencemateriale, der bruges i mange kalorimetre, er vand, fordi det har en høj og nøjagtigt målt varmekapacitet, er let at arbejde med og er let tilgængelig. En simpel kalorimeter ville bestå af en isoleret beholder med vand med et termometer fastgjort i vandet. For at måle varmekapaciteten for smeltet bly, for eksempel, kunne en efterforsker placere en skål smeltet bly inde i kalorimeteret og registrere temperaturfaldet på køleledningen og den tilsvarende temperaturstigning i vandet. Når man kender både vandets og massens masse, ville efterforskeren have tilstrækkelig information til at beregne blyets varmekapacitet.

Kalorimetre findes i mange forskellige typer, nogle målrettet mod måling af varmekapaciteten i nye materialer (differentielle scanningskalorimeter), mens andre måler så forskellige aspekter som varmen, der genereres af nye eller ikke-testede reaktioner (isotermiske mikrokalorimetre), forbrændingsvarme og forbrændingshastighed ( kalorimetre med accelereret hastighed) og energien fra elementære partikler (elektromagnetiske og hadroniske kalorimetre).

Ordet "kalorimeter" stammer fra det latinske ord calor, hvilket betyder varme. Metoden eller processen til udførelse af sådanne målinger kaldes kalorimetri.

Repræsentative beregninger

Beregning af varmekapaciteten af ​​smeltet bly baseret på data indsamlet i eksemplet ovenfor kræver anvendelse af formlen

Q = smAT

hvor Q er mængden af ​​varme, s er den specifikke varme (materialets varmekapacitet divideret med vandets varmekapacitet), m er materialets masse, og isT er temperaturændringen. Inde i kalorimeteret tabte varmen ved blyet (Ql) er den første tilnærmelse lig med den varme, der er opnået af vandet (Qw). I dette tilfælde, (smAT)l skal være lig med (smAT)w. Da den eneste ukendte mængde her er sl, det kan beregnes efter formlen

sl = (smAT)w/(mAT)l

For at få mere indsigt i den komplekse energidynamik, der opererer i selv det mest inerte og stille udseende stof, anvender forskere kalorimetriske målinger på det subtile begreb entalpi, et mål for et systems indre energi ved konstant tryk. For hvert stof er dets indre energiindhold (U), som er forankret i bevægelserne af dets molekylære og atomare niveaukomponenter, særskilt afhængigt af temperaturen (T) men af ​​trykket (P) og volumen (V).

Enthalpy (H) er defineret som H = U + PV. Med ord er entalpiændring (ΔH) mængden af ​​frigivet eller absorberet varme, når en kemisk reaktion finder sted ved konstant tryk. (Standardiserede entalpimålinger udtrykkes ofte i form af 1 mol af et stof X, som er en mængde X svarende til molekylvægten af ​​X udtrykt i gram.) For at finde entalpiændringen pr. Mol af et flydende stof X, for eksempel i reaktion med væske Y blandes de to væsker inde i kalorimeteret, og de indledende og sidste (efter reaktionens afslutning) temperaturer noteres. Arbejde med den grundlæggende formel, Q = smΔT og multiplicering af temperaturændringen gange masserne og de to væskers specifikke varmekapacitet tillader en yderligere beregning, der giver en værdi for den energi, der er afgivet under reaktionen (forudsat at reaktionen var eksotermisk). Deling af energiforandringen med antallet af mol til stede X giver dens entalpi reaktionsændring. Denne metode bruges primært i akademisk undervisning, da den beskriver teorien om kalorimetri. Det er dog ikke beregnet til varmetab gennem beholderen eller varmekapaciteten på termometeret og selve beholderen.

Typer

Reaktionskalorimeter

Et eksempel på et reaktionskalorimeter

EN Reaktionskalorimeter måler den varmeenergi, der frigøres eller absorberes under en reaktion, der opstår inde i kalorimeteret. Dette er det standardinstrument, der bruges til måling af varme i industrielle processer. Reaktionskalorimetri kan også bruges til at bestemme den maksimale hastighed for frigivelse af varme i kemisk procesteknik.

Bom kalorimetre

En bombe-kalorimeter er en type reaktionskalorimeter, der bruges til at måle forbrændingsvarmen af ​​en bestemt reaktion. Bomkalorimetre skal modstå stærkt tryk og kraft, når reaktionen måles. Elektrisk energi bruges til at antænde brændstoffet. Når brændstoffet brænder, opvarmes det den omgivende luft, der ekspanderer og slipper ud gennem et kobberrør, der passerer gennem vand på vej ud af kalorimeteret. Temperaturændringen på det vand, der opvarmes af luften, der slipper ud gennem kobberrøret, giver den nødvendige måling til at beregne energiindholdet i brændstoffet.

I nyere kalorimeter udformer hele bomben, under tryk med overskydende rent ilt (typisk omkring 30 atm) og indeholder en kendt masse brændstof, nedsænket under et kendt vandmængde, før ladningen (igen, elektrisk) antændes. Derefter måles temperaturændringen i vandet nøjagtigt. Denne temperaturstigning sammen med en bomfaktor (som er afhængig af metalbombenes varmekapacitet) bruges til at beregne den energi, der gives ud af det brændende brændstof. Der foretages en lille korrektion for at redegøre for den elektriske energiindgang og den brændende sikring.

Differentialscanning kalorimeter

I en differentielt scanning kalorimeter (DSC), varmestrømning til en prøve, som normalt er indeholdt i en lille aluminiumkapsel eller "pan", måles differentielt; det vil sige ved at sammenligne det med strømmen i en tom referencepude.

I en varmeflux DSC, begge pander sidder på en lille plade af materiale med en kendt varmemodstand. Kalorimeterets temperatur hæves med en konstant opvarmningshastighed, et mål, der kræver godt design og god (edb) temperaturstyring. En varmeflux DSC kan også bruges til eksperimenter, der kræver kontrolleret afkøling eller konstant temperatur.

Under eksperimenterne strømmer varme ind i de to pander ved ledning, hvor strømmen af ​​varme ind i prøven er større på grund af prøveens større varmekapacitet. Forskellen i varmestrømmen i de to pander inducerer en lille temperaturforskel over pladen. Denne temperaturforskel måles ved hjælp af et termoelement. Varmekapaciteten kan i princippet bestemmes ud fra dette signal. Differentiel scanningskalorimetri er en arbejdsheststeknik inden for mange felter, især inden for polymerkarakterisering.

Isotermisk titreringskalorimeter

I en isotermisk titreringskalorimeter, reaktionsvarmen bruges til at følge et titreringseksperiment, hvor koncentrationen af ​​et ukendt reagens bestemmes ved anvendelse af en standardkoncentration af et andet reagens, der kemisk reagerer med det ukendte. Dette tillader bestemmelse af midtpunktet for en reaktion såvel som andre nøgleparametre. Teknikken får større betydning, især inden for biokemi, fordi den letter bestemmelse af substratbinding til enzymer. Teknikken anvendes ofte i farmaceutisk industri til at karakterisere potentielle lægemiddelkandidater.

Røntgenmikrokalorimeter

Røntgenstråling af mikrokalorimeter

I 1982 blev Moseley et al. Foreslået en ny tilgang til ikke-spredende røntgenspektroskopi, der er baseret på måling af varme snarere end ladning. (1984). Detektoren, som er grundlaget for røntgenstrålingens mikrokalorimeter, fungerer ved at registrere de varmeimpulser, der genereres af røntgenfotoner, når de absorberes i et materiale som varmeenergi. Temperaturstigningen er direkte proportional med fotonenergien. Denne opfindelse kombinerer høj detektoreffektivitet med høj energiopløsning, hovedsageligt opnåelig, fordi den drives ved en lav temperatur.

Disse kryogene mikrokalimetre har et termometer til at måle ændringen i temperaturen af ​​en masse med lav varmekapacitet, der i princippet kan absorbere hændelige fotoner ikke kun i røntgenområdet, men også i det ultraviolette, synlige eller nær infrarøde område. Denne masse er forbundet med et svagt led til en køleplade med lav temperatur, hvilket giver den termiske isolering, der er nødvendig for at en temperaturstigning kan finde sted. Med udgangspunkt i den originale innovative tilgang udvider en stor udviklingsindsats stadig området for kryogen mikrokalorimetri. Det første astronomiske rumfartøj med kryogene mikrokalimetre var det kredsende røntgenobservatorium Suzaku / Astro-E2 lanceret i juli 2005. NASA såvel som ESA har planer for fremtidige missioner (henholdsvis Constellation-X og XEUS), der vil bruge en slags mikro- kalorimetrene.

Højenergi-partikelkalorimeter

I partikelfysik er et kalorimeter en komponent i en detektor, der måler energien ved at trænge ind i partikler.

Kalorimetri

Efterhånden som forskere har udviklet og arbejdet med kalorimetre, har det nye felt af kalorimetri udviklet sig parallelt med opgaven om at måle mængden af ​​varme, der absorberes eller frigives, når materien gennemgår en ændring i dens fysiske, kemiske eller elektriske tilstand. Som et eget felt i sin egen ret oversætter kalorimetri hele historien og udvalget af kalorimetre og giver en nyttig måde at se på deres forskellige typer.

"Indirekte kalorimetri" beregner den varme, der genereres af levende organismer, når deres metaboliske processer giver affald af kuldioxid og nitrogen. Lavoisier bemærkede i 1780, at varmeproduktion kan forudsiges fra iltforbrug af levende organismer. Teorien Dynamic Energy Budget forklarer, hvorfor denne procedure er gyldig. Naturligvis kan varme genereret af levende organismer også måles ved direkte kalorimetri, hvor hele organismen er placeret inde i kalorimeteret til målingen.

Konstant volumen

Konstant-volumen kalorimetri ved anvendelse af et kalorimeter med konstant volumen begrænser testsystemet til ikke at udføre noget arbejde, så den varmeforøgelse eller det målte mål er lig med ændringen i systemets indre energi. Ligningen for kalorimetri med konstant volumen er:

hvor

AU = ændring i intern energi
CV = varmekapacitet i systemet med volumen V

Da ved kalorimetri med konstant volumen ikke holdes konstant, repræsenterer den målte varme ikke entalpiændringen.

Konstant-tryk

Konstant-tryk kalorimetri bruger et konstant-tryk kalorimeter måler en mængde varmeenergiudveksling svarende til ændringen i systemets indre energi minus arbejdet (w) udført:

Siden i kalorimetri med konstant tryk trykket holdes konstant, den målte varme repræsenterer entalpi ændring:

Noter

Referencer

  • Larijani, Bananshé, Colin A. Rosser og Rudiger Woscholski, red. 2006. Kemisk biologi: Teknikker og applikationer. West Sussex, England: John Wiley og Sons, Ltd. ISBN-13 978-0-470-09064-0
  • Beezer, A.E., red. 1980. Biologisk mikrokalorimetri. New York: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-083550-9

Besancon, Robert M., red. 1985. The Encyclopedia of Physics, 3. udg. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0-442-25778-3

Pin
Send
Share
Send