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6.9: 一定体積の熱量測定
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Chemistry

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Constant Volume Calorimetry
 
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6.9: 一定体積の熱量測定

熱量計は、化学反応によって放出または吸収される熱を判断するのに役立ちます。 コーヒーカップ熱量計は、一定の(大気圧)圧力で動作するように設計されており、一定の圧力で溶液中に発生する熱の流れ(またはエンタルピー変化)を測定するのに便利です。 一定の体積で動作する別のタイプの熱量計は、爆弾熱量計と呼ばれ、燃焼反応などの大量の熱やガス製品を生成する反応によって生成されるエネルギーを測定するために使用されます。 (「爆弾」という言葉は、これらの反応が他の熱量計を損傷する爆発に似た強さを持つことがあるという観測から生まれたものです)。  

熱力学の第一法則は、反応の内部エネルギー( Δ E )の変化が熱( q )と仕事( w )の合計であることを示しています。  

Eq1

気体反応では、処理される作業は圧力体積タイプであるため、反応量が変化します。  

Eq1

爆弾熱量計は一定の体積で動作するように設計されており、反応の体積が変化しないようになっています( Δ V = 0 )。  

Eq1

そのため、仕事はゼロであり、爆弾熱量計を使って測定された熱( qv )は反応の内部エネルギーの変化に相当します。

Eq1

爆弾熱量計は、反応物質を含む頑丈なスチール製容器で構成され、それ自体が水中に沈んでいます。 サンプルは爆弾の中に入れられ、高圧で酸素が充填されます。 サンプルの点火には、小さな電気火花が使用されます。 反応によって生成されるエネルギーは、スチール爆弾とその周囲の水に吸収されます。 温度上昇( Δ T )が測定され、熱量計の既知の熱量( Ccal )とともに、熱量計全体( qcal)によって吸収される熱の計算に使用されます。  

Eq1

熱量計は断熱されており、環境に熱が失われないため、熱量計によって得られる熱は反応によって放出される熱と等しくなります。

Eq1

体積条件が一定であるため、反応の熱の変化は内部エネルギーの変化に対応します。

Eq1

これは、燃焼中の反応物質の特定量に対する内部エネルギー変化です。 特定の反応物質のモルあたりの Δ Erxn は、値を実際に反応したモル数で割ることによって得られます。

爆弾熱量計では、熱量を測定して正確な結果を得るために校正が必要です。 この校正は、たとえば反応の前後で測定されたニッケルヒューズ線の火花で点火された安息香酸の量など、既知のqを用いた反応を使用します。 既知の反応によって生成される温度変化は、熱量計の熱容量を決定するために使用されます。 校正は通常、熱量計を使用して研究データを収集する前に毎回行われます。

このテキストは 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry から引用したものです。


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