Sabit Basınç Kalorimetrisi

Kalorimetre, kimyasal veya fiziksel bir işlemde yer alan ısı miktarını ölçmek veya bir maddeye veya bir maddeden aktarılan ısıyı ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Isı, kalorimetre adı verilen kalibre edilmiş ve yalıtılmış bir cihazla değiştirilir. Kalorimetre deneyleri, yalıtılmış kalorimetre ile dış ortam arasında ısı alışverişi olmadığı varsayımına dayanmaktadır. İyi yalıtılmış kalorimetreler, kalorimetre ile dış ortam arasında ısı transferini engeller, bu da “çevreyi” kalorimetre içindeki sistem dışı bileşenlere (ve kalorimetrenin kendisine) etkili bir şekilde sınırlar. Bu, gıdaların enerji içeriği gibi kimyasal işlemlerde yer alan ısının doğru bir şekilde belirlenmesini sağlar. 

Kalorimetre ile ölçülen sıcaklık değişimi, incelenen işlem tarafından aktarılan ısı miktarını türetmek için kullanılır. Bir kalorimetrede, bir sistem kimyasal veya fiziksel değişime uğrayan madde veya maddeler olarak tanımlanır veya başka bir deyişle reaksiyon ve çevresi, çözelti ve kalorimetredeki sisteme ısı sağlayan veya sistemden ısıyı absorblayan diğer bileşenler dahil olmak üzere tüm diğer maddelerdir.

Kimyasal reaksiyonların kalorimetrisini tartışmadan önce, kalorimetrinin arkasındaki ana fikri gösteren daha basit bir örnek düşünelim. Yüksek sıcaklıktaki sıcak bir metal parçasının soğuk su gibi düşük sıcaklıktaki bir maddeye yerleştirildiğini varsayalım. Isı, sıcak metalden suya akacaktır. Metalin sıcaklığı düşecek ve suyun sıcaklığı, iki madde aynı sıcaklığa —yani termal dengeye ulaşana kadar— artacaktır. Bu bir kalorimetrede meydana gelirse, ısının tamamı iki madde arasında aktarılır, dış ortam tarafından hiçbir ısı kazanılmaz veya kaybedilmez. Bu ideal koşullar altında net ısı değişimi sıfırdır:

Bu ilişki, metal tarafından kazanılan ısının, sudaki madde tarafından kaybedilen ısıya eşit olduğunu göstermek için yeniden düzenlenebilir:

Bu nedenle, ısının büyüklüğü (değişim) her iki madde için de aynıdır. Negatif işaret sadece q_metal ve q_su‘yun(q_water) ısı akışı yönünün tersi olduğunu (kazanç veya kayıp) gösterir, ancak her iki q değerinin aritmetik işaretini göstermez (bu, tanıma göre söz konusu maddenin ısı kazanıp kaybetmediğine göre belirlenir). Tarif edilen özel durumda, q_metal negatif bir değerdir ve q_su pozitif bir değerdir çünkü ısı metalden suya aktarılır.

Kimyasal reaksiyonda yer alan ısıyı belirlemek için kalorimetre kullanırken, aynı ilkeler geçerlidir. Kalorimetre tarafından emilen ısı miktarı çoğu zaman ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve kalorimetre dış ortamla enerji alışverişini en aza indirir. Bir kalorimetre içindeki çözeltide ekzotermik bir reaksiyon meydana geldiğinde, reaksiyon tarafından üretilen ısı, çözelti tarafından emilir ve bu da sıcaklığını arttırır. Endotermik bir reaksiyon meydana geldiğinde, gerekli olan ısı, çözeltinin ısıl enerjisinden emilir ve bu da sıcaklığını düşürür. Çözeltinin özgül ısısı (c_soln) ve kütlesi (m_soln) ile birlikte sıcaklık değişimi (ΔT), her iki durumda da dahil olan ısı miktarını (q_soln) hesaplamak için kullanılabilir.

Kahve fincanı kalorimetresi olarak adlandırılan basit bir kalorimetre, gevşek bir kapakla kapatılmış iki iç içe geçmiş polistiren kaptan yapılmıştır. Kahve fincanı kalorimetreleri, çözeltilerde (çoğunlukla sulu çözeltiler) yer alan ve hiç hacim değişikliği içermeyen veya çok az hacim değişikliği içeren reaksiyonların ısısını ölçmek için kullanılır. Bir kimyasal reaksiyon sırasında enerji ne oluşturulduğu ne de yok edildiği için, reaksiyonda üretilen veya tüketilen ısı (“sistem”), q_rxn artı çözelti tarafından emilen veya kaybedilen ısı (“çevre”), q_soln, sıfıra eşit olmalıdır:

Bu, reaksiyonda üretilen veya tüketilen ısı miktarının, çözelti tarafından emilen veya kaybedilen ısı miktarına eşit olduğu anlamına gelir:

Kahve fincanı kalorimetresi, sabit basınçlı bir kalorimetredir ve reaksiyonun ölçülen ısısı, entalpideki değişime eşdeğerdir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.