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6.8: 一定圧力の熱量測定
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Chemistry

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Constant Pressure Calorimetry
 
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6.8: 一定圧力の熱量測定

熱量測定は、化学的または物理的なプロセスに含まれる熱の量を測定したり、物質との間で伝達される熱を測定するために使用される技術です。 熱は、熱量計と呼ばれる、校正および断熱された装置で交換されます。 熱量測定の実験は、断熱された熱量計と外部環境との間に熱交換がないことを前提としています。 十分に断熱された熱量計は、熱量計とその外部環境間の熱の移動を防ぎます。これにより、 " 環境 " が熱量計内の非システム構成要素(および熱量計自体)に効果的に制限されます。 これにより、食品のエネルギー含有量など、化学プロセスに関わる熱を正確に測定することができます。  

熱量計によって測定される温度変化は、検討中のプロセスによって伝達された熱量を算出するために使用されます。 熱量計では、システムとは物質または化学物質または物理的変化中の物質、つまり反応と定義されます。 また、環境とは、溶液や熱量計内の他の構成要素など、システムに熱を供給するか、システムから熱を吸収するものも含め、その他のものすべてにあたります。

化学反応の熱量測定について説明する前に、熱量測定の基本的な考え方を示す簡単な例を考えてみましょう。 高温の金属部分が低温の物質(冷却水など)に置かれているとします。 熱は熱い金属から水に流れます。 金属の温度が下がり、2 つの物質が熱平衡に達するまで、水の温度が上昇し、 2 つの物質の温度が同じになります。熱量計でこのようなことが起こった場合、熱はすべて 2 つの物質間で移動され、外部環境によって熱が得られたり失われることはありません。 このような理想的な状況では、正味の熱交換はゼロです。

この関係は、金属が得た熱が水物質によって失われた熱と同等であることを示すように、次のように再配置できます。

したがって、熱の大きさ(変化)は両方の物質で同じです。 負の符号は単にqmetalqwater が熱の流れ(得たり失う)の方向と反対であることを示しているだけですが、いずれの q 値の符号(問題の物質が定義ごとに熱を得るか失うかによって決まる)も示していません。 具体的な状況では、 qmetal は負の値であり、 qwater は正の値です。これは熱が金属から水に移動したためです。

化学反応に関与する熱を計算するために熱量計を使用する場合は、同じ原理が適用されます。 熱量計が吸収する熱量は、ほとんど無視できるほど小さく、熱量計は外部環境とのエネルギー交換を最小限に抑えます。 熱量計の溶液中で発熱反応が発生すると、反応によって生成される熱は溶液に吸収され、溶液の温度が上昇します。 吸熱反応が発生すると、必要な熱が溶液の熱エネルギーから吸収され、温度が下がります。 温度変化( Δ T )と、比熱(csoln )および溶液質量( msoln )を使用して、どちらの場合も熱量( qsoln )を計算できます。

コーヒーカップ熱量計と呼ばれる単純な熱量計は、緩めの蓋で閉じた 2 つのポリスチレン製カップで構成されています。 コーヒーカップ熱量計は、溶液中で発生する反応の熱を測定するために使用され(主に水溶液)、量の変化がまったく、またはほとんどありません。 化学反応中にエネルギーが生成または分解されることはないため、反応で生成または消費される熱(「システム」)、 qrxn 、および溶液によって吸収または失われる熱(「環境」)、 qsoln は、ゼロになるまで加える必要があります。

つまり、反応で生成または消費される熱の量は、溶液によって吸収または失われる熱の量と等しくなります。


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