Калориметрия: измерение теплопередачи и её свойства.
Calorimetry
Калориметрия: измерение теплопередачи и изменений состояния веществ. История, методы (прямая и непрямая), применение в химии и биологии. Основы от Джозефа Блэка.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Определение теплопередачи в системе путем измерения других её свойств
Determining heat transfer in a system by measuring its other properties
В химии и термодинамике калориметрия – это наука или процесс измерения изменений переменных состояния тела с целью определения теплопередачи, связанной с изменениями его состояния, вызванными, например, химическими реакциями, физическими изменениями или фазовыми переходами при заданных условиях. Калориметрия выполняется с использованием калориметра. Шотландский врач и ученый Джозеф Блэк, первым разграничивший понятия тепла и температуры, считается основателем науки калориметрии. Косвенная калориметрия рассчитывает тепло, выделяемое живыми организмами, путем измерения либо выделения ими углекислого газа и азотистых отходов (часто аммиака у водных организмов или мочевины у наземных), либо потребления кислорода. Лавуазье в 1780 году отметил, что теплопродукцию можно предсказать на основе потребления кислорода, используя множественную регрессию. Теория динамического энергетического бюджета объясняет обоснованность этой методики. Тепло, генерируемое живыми организмами, также можно измерить прямым методом калориметрии, при котором весь организм помещается внутрь калориметра для проведения измерения. Широко используемым современным прибором является дифференциальный сканирующий калориметр – устройство, позволяющее получать тепловые данные о небольших количествах вещества. Он предполагает нагрев образца с контролируемой скоростью и регистрацию теплового потока, поступающего в образец или от него.
In chemistry and thermodynamics, calorimetry is the science or act of measuring changes in state variables of a body for the purpose of deriving the heat transfer associated with changes of its state due, for example, to chemical reactions, physical changes, or phase transitions under specified constraints. Calorimetry is performed with a calorimeter. Scottish physician and scientist Joseph Black, who was the first to recognize the distinction between heat and temperature, is said to be the founder of the science of calorimetry. Indirect calorimetry calculates heat that living organisms produce by measuring either their production of carbon dioxide and nitrogen waste (frequently ammonia in aquatic organisms, or urea in terrestrial ones), or from their consumption of oxygen. Lavoisier noted in 1780 that heat production can be predicted from oxygen consumption this way, using multiple regression. The dynamic energy budget theory explains why this procedure is correct. Heat generated by living organisms may also be measured by direct calorimetry, in which the entire organism is placed inside the calorimeter for the measurement. A widely used modern instrument is the differential scanning calorimeter, a device which allows thermal data to be obtained on small amounts of material. It involves heating the sample at a controlled rate and recording the heat flow either into or from the specimen.
Калориметрия с помощью фазового изменения, уравнение состояния показывает один прыжок прерывистости
Ранним калориметром был прибор, использованный Лапласом и Лавуазье, как показано на рисунке выше. Он работал при постоянной температуре и атмосферном давлении. В этом случае скрытая теплота не относилась к изменению объема или давления, как это происходит в описанной выше калориметрии без фазового перехода. Скрытая теплота, вовлеченная в этот калориметр, относилась к фазовому переходу, который естественно происходит при постоянной температуре. Этот тип калориметра работал за счет измерения массы воды, образующейся при таянии льда, то есть при фазовом переходе.
An early calorimeter was that used by Laplace and Lavoisier, as shown in the figure above. It worked at constant temperature, and at atmospheric pressure. The latent heat involved was then not a latent heat with respect to volume or with respect to pressure, as in the above account for calorimetry without phase change. The latent heat involved in this calorimeter was with respect to phase change, naturally occurring at constant temperature. This kind of calorimeter worked by measurement of mass of water produced by the melting of ice, which is a phase change.
Физический объем применения вышеуказанных правил калориметрии
Вышеуказанные правила применимы только к подходящим калориметрическим материалам. Термины "быстро" и "очень мало" требуют эмпирической физической проверки области применимости этих правил. Вышеуказанные правила вычисления тепла относятся к чистой калориметрии. Они не опираются на термодинамику и были в основном поняты до её возникновения. Они составляют основу "термического" компонента термодинамики. Компонент "динамики" основан на понятии работы, которое не используется в вышеуказанных правилах вычисления.
The above rules refer only to suitable calorimetric materials. The terms 'rapidly' and 'very small' call for empirical physical checking of the domain of validity of the above rules. The above rules for the calculation of heat belong to pure calorimetry. They make no reference to thermodynamics, and were mostly understood before the advent of thermodynamics. They are the basis of the 'thermo' contribution to thermodynamics. The 'dynamics' contribution is based on the idea of work, which is not used in the above rules of calculation.
Коэффициенты, измеренные экспериментально
Эмпирически целесообразно измерять свойства калориметрических материалов в условиях, контролируемых экспериментально.
Empirically, it is convenient to measure properties of calorimetric materials under experimentally controlled conditions.
Отношение латентного тепла к объему и уравнение состояния
Количество, скрытая теплота по отношению к объему, принадлежит к классической калориметрии. Она учитывает перенос энергии посредством работы в процессе, в котором также происходит теплообмен; однако это количество рассматривалось до того, как связь между теплообменом и работой была прояснена благодаря изобретению термодинамики. С точки зрения термодинамики, классическая калориметрическая величина оказывается тесно связанной с уравнением состояния калориметрического материала. При условии, что температура измеряется в абсолютной термодинамической шкале, эта связь выражается формулой .
The quantity , the latent heat with respect to volume, belongs to classical calorimetry. It accounts for the occurrence of energy transfer by work in a process in which heat is also transferred; the quantity, however, was considered before the relation between heat and work transfers was clarified by the invention of thermodynamics. In the light of thermodynamics, the classical calorimetric quantity is revealed as being tightly linked to the calorimetric material's equation of state Provided that the temperature is measured in the thermodynamic absolute scale, the relation is expressed in the formula