6.9: Калориметрия постоянного объема
Калориметры полезны для определения тепла, выделяемого или поглощенного химической реакцией. Калориметры чашек для кофе предназначены для работы при постоянном (атмосферном) давлении и удобны для измерения потока тепла (или изменения энтальпии), сопровождающего процессы, происходящие в раствор при постоянном давлении. Для измерения энергии, вырабатываемой реакциями, которые дают большое количество тепла и газообразных продуктов, таких как реакции горения, используется другой тип калориметра, который работает при постоянном объеме, в разговорном режиме известный как калориметр бомбы. (Термин «бомба» исходит из наблюдения, что эти реакции могут быть достаточно энергичными, чтобы напоминать взрывы, которые повредят другие калориметры.)
Первый закон термодинамики предполагает, что изменение внутренней энергии (ΔE) реакции является суммой тепла (q) и работы (w).
В газообразных реакциях работа выполняется по типу «давление-объем», что приводит к изменению объема реакции.
Калориметры бомбы предназначены для работы с постоянным объёмом, так что объём реакции не может изменяться (ΔV = 0).
Таким образом, проделанная работа равна нулю, а тепло (qv), измеряемое с помощью калориметра бомбы, эквивалентно изменению внутренней энергии реакции.
Калориметр бомбы состоит из прочного стального контейнера, который содержит реагенты и сам погружается в воду. Образец помещается в бомбу, которая затем заполняется кислородом под высоким давлением. Для воспламенения образца используется небольшая электрическая искра. Энергия, вырабатываемая в результате реакции, поглощается стальной бомбой и окружающей водой. Увеличение температуры (ΔT) измеряется и, наряду с известной теплоемкостью калориметра (Ccal), используется для расчета температуры, поглощенной всей калориметрической сборкой (qcal).
Так как калориметр изолирован и в окружающую среду не теряется тепло, выделенное калориметром, равно выделенному в результате реакции теплу.
Из-за условий постоянного объема тепло, развивалось в реакции, соответствует изменению внутренней энергии.
Это изменение внутренней энергии для определенного количества реагент, проходящего сгорание. ΔErxn Per моль конкретного реагент получается путем деления значения на количество молей, которые на самом деле отреагировали.
Калориметры-бомбы требуют калибровки для определения теплоемкости калориметра и обеспечения точных результатов. Калибровка выполняется с помощью реакции с известным q, например, измеренным количеством бензойной кислоты, воспламеняемой искрой от никелевого провода предохранителя, который взвешивается до и после реакции. Изменение температуры, производимого известной реакцией, используется для определения теплоемкости калориметра. Калибровка обычно выполняется каждый раз, прежде чем калориметр будет использоваться для сбора данных исследований.
Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 5.2: Калоритмия.
"