일정압력 열량계

열량계는 화학적 또는 물리적 공정과 관련된 열의 양을 측정하거나 물질로 전달되거나 물질에서 전달되는 열을 측정하는 데 사용되는 기술입니다. 열은 열량계라고 불리는 보정되고 절연된 장치를 통해 교환됩니다. 열량측정 실험은 단열 열량계와 외부 환경 사이에 열 교환이 없다는 가정을 기반으로 합니다. 잘 절연된 열량계는 열량계와 외부 환경 사이의 열 전달을 방지하여 "주변"을 열량계(및 열량계 자체) 내의 비시스템 구성 요소로 효과적으로 제한합니다. 이를 통해 식품의 에너지 함량과 같은 화학 공정과 관련된 열을 정확하게 측정할 수 있습니다.

열량계로 측정된 온도 변화는 연구 중인 공정에 의해 전달된 열의 양을 도출하는 데 사용됩니다. 열량계에서 시스템은 화학적 또는 물리적 변화, 즉 반응을 겪는 물질로 정의되며, 주변은 열을 제공하는 열량계의 용액 및 기타 구성 요소를 포함하여 다른 모든 물질입니다. 시스템에 유입되거나 시스템에서 열을 흡수합니다.

화학 반응의 열량 측정법을 논의하기 전에 열량 측정의 핵심 아이디어를 설명하는 더 간단한 예를 고려하십시오. 고온의 뜨거운 금속 조각이 차가운 물과 같은 저온의 물질 속에 놓여 있다고 가정해 봅시다. 열은 뜨거운 금속에서 물로 흐릅니다. 두 물질의 온도가 같아질 때까지, 즉 열평형에 도달할 때까지 금속의 온도는 감소하고 물의 온도는 증가합니다. 열량계에서 이런 일이 발생하면 외부 환경에 의해 열을 얻거나 잃지 않고 모든 열이 두 물질 사이에 전달됩니다. 이러한 이상적인 상황에서 순 열 변화는 0입니다.

이 관계는 금속이 얻은 열이 물이 잃은 열과 동일하다는 것을 보여주기 위해 재배열될 수 있습니다.

따라서 열(변화)의 크기는 두 물질 모두 동일합니다. 음의 부호는 q_metal과 q_water가 열 흐름 방향(증가 또는 손실)이 반대라는 것을 나타낼 뿐, q 값(즉, 문제의 물질이 열을 얻거나 잃느냐에 따라 결정되는지에 따라 결정됨)의 산술 부호를 나타내지는 않습니다. 정의). 설명된 특정 상황에서 q_metal은 음수 값이고 q_water는 열이 금속에서 물로 전달되므로 양수 값입니다.

화학 반응과 관련된 열을 측정하기 위해 열량계를 사용할 때도 동일한 원리가 적용됩니다. 열량계가 흡수하는 열의 양은 종종 무시할 수 있을 만큼 작으며, 열량계는 외부 환경과의 에너지 교환을 최소화합니다. 열량계의 용액에서 발열 반응이 일어날 때, 반응에 의해 생성된 열이 용액에 흡수되어 온도가 상승합니다. 흡열 반응이 일어날 때 필요한 열은 용액의 열 에너지로부터 흡수되어 온도가 감소합니다. 그런 다음 온도 변화(ΔT)를 비열(c_soln) 및 용액의 질량(m_soln)과 함께 사용하여 두 경우 모두에 관련된 열량(q_soln)을 계산할 수 있습니다.

커피 컵 열량계라고 불리는 간단한 열량계는 느슨한 뚜껑으로 닫힌 두 개의 폴리스티렌 컵으로 구성됩니다. 커피 컵 열량계는 용액(주로 수용액)에서 발생하고 부피 변화가 없거나 거의 없는 반응열을 측정하는 데 사용됩니다. 화학 반응 중에 에너지가 생성되거나 파괴되지 않기 때문에 반응("시스템")에서 생성되거나 소비되는 열인 q_rxn과 용액("주변")에 의해 흡수되거나 손실되는 열인 q_soln이 합해서 0이여야 합니다.

이는 반응에서 생성되거나 소비되는 열의 양이 용액에 의해 흡수되거나 손실되는 열의 양과 동일하다는 것을 의미합니다.

커피 컵 열량계는 정압 열량계이며, 측정된 반응열은 엔탈피 변화와 동일합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.