量热计是一种用于测量化学反应中热流量的装置。两种最常见的量热计是咖啡杯量热计和弹式量热计。
咖啡杯热量计本质上是一个带盖的聚苯乙烯(聚苯乙烯泡沫塑料)杯。杯子部分充满已知体积的水,温度计插入杯盖,使其灯泡低于水面。当咖啡杯量热计中发生化学反应时,反应热被水吸收。水温的变化用于计算反应中吸收(用于制造产品,因此水温降低)或释放(流失到水中,因此水温升高)的热量。
使用以下关系式计算热流:
q=(比热)x m xΔt
式中,q为热流,m为质量,单位为克,Δt为温度变化。比热是将1克物质的温度升高1摄氏度所需的热量。水的比热为4.18 J/(g·C)。
例如,考虑在200克水中发生的化学反应,初始温度为25℃。反应允许在咖啡杯量热计中进行。反应的结果是,水的温度变为31.0 C。计算热流:
Q水=4.18焦耳/(克·摄氏度)x 200克x(31.0摄氏度-25.0摄氏度)
qwater=+5.0 x 103焦耳
反应产物释放出5000 J的热量,这些热量损失到水中。反应的焓变ΔH的大小与水的热流相等,但符号相反:
ΔHreaction=-(qwater)
回想一下,对于放热反应,ΔH<0,qwater为正。水从反应中吸收热量,温度升高。对于吸热反应,ΔH>;0,qwater为负。水为反应提供热量,温度下降。
咖啡杯热量计非常适合测量溶液中的热流,但它不能用于涉及气体的反应,因为气体会从杯子中逸出。咖啡杯热量计也不能用于高温反应,因为它们会融化咖啡杯。弹式热量计用于测量气体和气体的热流高温反应。
炸弹式热量计的工作方式与咖啡杯式热量计相同,但有一个很大的区别:在咖啡杯式热量计中,反应发生在水中,而在炸弹式热量计中,反应发生在密封的金属容器中,该容器放在水中的绝缘容器中。反应产生的热流穿过密封容器的壁流向水。测量水的温差,就像测量咖啡杯热量计一样。与咖啡杯热量计相比,热流分析更为复杂,因为必须考虑进入热量计金属部件的热流:
Q反应=-(qwater+qbomb)
式中,qwater=4.18 J/(g·°C)x mwater xΔt
炸弹有固定的质量和比热。炸弹的质量乘以其比热有时被称为量热计常数,用符号C表示,单位为焦耳/摄氏度。量热计常数是通过实验确定的,不同的量热计会有所不同。炸弹的热流为:
qbomb=C xΔt
一旦热量计常数已知,计算热流就很简单了。弹式热量计内的压力在反应过程中经常发生变化,因此热流的大小可能不等于焓变化。
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