قياس الضغط الثابت

إن القياس المسعر عبارة عن تقنية تستخدم لقياس كمية الحرارة المرتبطة بعملية كيميائية أو فيزيائية أو لقياس الحرارة المنتقلة إلى مادة أو منها. يتم استبدال الحرارة بجهاز معايرة ومعزول يسمى المسعر. تستند تجارب قياس المسعر إلى افتراض عدم وجود تبادل حراري بين المسعر المعزول والبيئة الخارجية. إن محيط المسعر المعزول يمنع انتقال الحرارة بين المسعر وبيئته الخارجية، وهو ما يحد بشكل فعّال من “المحيط” إلى مكونات غير النظام داخل المسعر (والمسعر ذاته). ويتيح ذلك تحديد الحرارة المرتبطة بالعمليات الكيميائية بدقة، مثل محتوى الطاقة في الأغذية.  

يُستخدم تغير درجة الحرارة الذي يتم قياسه بواسطة المسعر لاستخلاص كمية الحرارة التي يتم نقلها بواسطة العملية قيد الدراسة. في المسعر، يُعرَّف النظام بأنه المادة أو المواد التي تخضع للتغيير الكيميائي أو الفيزيائي، أو بعبارة أخرى، التفاعل، وكل ما يحيط به من مواد أخرى، بما في ذلك المحلول وأي مكونات أخرى في المسعر توفر حرارة للنظام أو تمتص الحرارة من النظام.

قبل مناقشة قياس المسعر للتفاعلات الكيميائية، فكر في مثال أبسط يوضح الفكرة الأساسية وراء قياس المسعر. افترض أن قطعة معدنية ساخنة في درجة حرارة عالية موضوعة في مادة منخفضة الحرارة، مثل الماء البارد. ستتدفق الحرارة من المعدن الساخن إلى الماء. ستتناقص درجة حرارة المعدن وستزداد درجة حرارة الماء حتى تصل درجة حرارة المادتين إلى درجة الحرارة— نفسها، أي عندما تصل إلى التوازن الحراري. إذا حدث ذلك في المسعر، يتم نقل كل الحرارة بين المادتين، مع عدم اكتساب الحرارة أو فقدانها بسبب بيئتها الخارجية. في ظل هذه الظروف المثالية، يكون صافي تغير الحرارة صفرًا:

يمكن إعادة ترتيب هذه العلاقة لتوضيح أن الحرارة التي اكتسبها المعدن تساوي الحرارة التي فقدها الماء بسبب المادة:

ولذلك فإن حجم الحرارة (التغير) هو نفسه بالنسبة لكلتا المادتين. فالإشارة السلبية تبين فقط أن q_metal و q_water متعاكسان في اتجاه  تدفق الحرارة (مكسب أو خسارة)، ولكنها لا تشير إلى العلامة الحسابية لأي من قيمتي q (والتي تتحدد وفقاً لما إذا كانت المادة محل التساؤل تكسب الحرارة أو تفقد حرامتها، وفقاً للتعريف). في الحالة المحددة الموضحة، يعتبر q_metal قيمة سالبة، ويعتبر q_water قيمة موجبة حيث يتم نقل الحرارة من المعدن إلى الماء.

عند استخدام المسعر لتحديد الحرارة المرتبطة بتفاعل كيميائي، تنطبق نفس المبادئ. غالباً ما تكون كمية الحرارة التي يمتصها المسعر صغيرة بما يكفي لإهمالها في أغلب الأحيان، كما يقلل المسعر من تبادل الطاقة مع البيئة الخارجية. عندما يحدث التفاعل الطارد للحرارة في محلول في الكالوريميتر، يتم امتصاص الحرارة الناتجة عن التفاعل بواسطة المحلول، مما يزيد درجة حرارته. عند حدوث تفاعل ماص للحرارة، يتم امتصاص الحرارة المطلوبة من الطاقة الحرارية للحلول، مما يؤدي إلى خفض درجة حرارته. إن تغيّر درجة الحرارة (ΔT)، إلى جانب الحرارة المحددة (c_soln) وكتلة المحلول (m_soln)، يمكن استخدامهم لحساب كمية الحرارة em> المرتبطة بأي من الحالتين.

A   تم إنشاء مسعر بسيط —، يسمى كالوريميتر— كوب القهوة، من كوبين متداخلين من البوليسترين مغلقين بغطاء محكم التثبيت. يُستخدم محيط كوب القهوة لقياس حرارة التفاعلات التي تحدث في الحلول (حلول مائية في الغالب) ولا تتضمن تغييرًا في الحجم أو تغييراً طفيفاً جداً. ولأن الطاقة لا تنشأ ولا يتم تدميرها أثناء التفاعل الكيميائي، فإن الحرارة الناتجة أو المستهلكة في التفاعل (“النظام”)، بالإضافة إلى الحرارة التي امتصها أو فقدتها المحلول (“البيئة المحيطة”)، q_soln، لابد أن تضيف إلى الصفر:

وهذا يعني أن كمية الحرارة الناتجة أو المستهلكة في التفاعل تساوي كمية الحرارة الممتصة أو المفقودة بواسطة المحلول:

الكالوريميتر هو كالوريميتر ثابت الضغط، والحرارة المقيسة للتفاعل تساوي التغير في المحتوى الحراري.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.