قياس الحجم الثابت

يكون محيط الكالوريميتر مفيداً في تحديد الحرارة المنبعثة أو الممتصة بواسطة التفاعل الكيميائي. تم تصميم محيط كوب القهوة للعمل بضغط ثابت (جوي) وهو مناسب لقياس تدفق الحرارة (أو التغير في المحتوى الحراري) الذي يصاحب العمليات التي تحدث في المحلول عند ضغط ثابت. يستخدم نوع مختلف من المسعر يعمل بحجم ثابت، يُعرف بالعامية باسم مسعر القنبلة، لقياس الطاقة الناتجة عن التفاعلات التي تنتج كميات كبيرة من الحرارة والمنتجات الغازية، مثل تفاعلات الاحتراق. (يأتي مصطلح “قنبلة” من الملاحظة التي تؤكد أن ردود الفعل هذه قد تكون قوية بالقدر الكافي لكي تشبه التفجيرات التي قد تلحق الضرر بمحيط آخر).  

يشير القانون الأول للديناميكا الحرارية إلى أن التغير في الطاقة الداخلية (ΔE) للتفاعل هو مجموع الحرارة (q) والعمل (w). 

في التفاعلات الغازية، يكون العمل المنجز من نوع حجم الضغط، مما يؤدي إلى تغييرات في حجم التفاعل.  

تم تصميم محيط القنبلة بحيث يعمل بحجم ثابت، بحيث لا يُسمح بتغيير حجم التفاعل (ΔV = 0).  

لذلك، فإن العمل المنجز هو صفر، والحرارة q_v التي تم قياسها باستخدام مسعر قنبلة تعادل التغير في الطاقة الداخلية للتفاعل.

يتكون مسعر القنبلة من حاوية فولاذية قوية تحتوي على المواد المتفاعلة، وهي نفسها مغمورة في الماء. يتم وضع العينة في القنبلة، التي يتم تعبئتها بعد ذلك بالأكسجين عند الضغط العالي. تُستخدم شرارة كهربية صغيرة لإشعال العينة. تمتص قنبلة الصلب والمياه المحيطة الطاقة الناتجة عن التفاعل. يتم قياس الزيادة في درجة الحرارة (ΔT)، ويتم استخدامها مع السعة الحرارية المعروفة للمسعر (C_cal) لحساب الحرارة الممتصة بواسطة مجموعة المسعر بالكامل (q_cal). 

بما أن المسعر معزول ولا يتم فقدان الحرارة على البيئة، فإن الحرارة التي يكسبها المسعر تساوي الحرارة المنبعثة من التفاعل.

نظراً لظروف الحجم الثابتة، تتوافق الحرارة التي تطورت في التفاعل مع تغير الطاقة الداخلي.

هذا هو تغير الطاقة الداخلي للكمية المحددة من المادة المتفاعلة التي تخضع للاحتراق. يتم الحصول على قيمة كل مول لمتفاعل معين عن طريق قسمة القيمة على عدد المولات التي تفاعلت فعلياً.

يتطلب محيط القنبلة المعايرة لتحديد سعة حرارة المسعر وضمان الحصول على نتائج دقيقة. يتم إجراء المعايرة باستخدام تفاعل مع كمية معروفة من حمض البنزويك (q)، مثل الكمية المقيسة التي يتم إشعالها بواسطة شرارة من سلك منصهر النيكل الذي يتم وزنه قبل التفاعل وبعده. يُستخدم تغير درجة الحرارة الناتج عن التفاعل المعروف لتحديد سعة الحرارة في المسعر. يتم إجراء المعايرة بشكل عام في كل مرة قبل استخدام المسعر لجمع بيانات الأبحاث.

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