X
تبلیغات
رایتل
 یا کالریمتری (به انگلیسی: Calorimetry) یکی از روش‌های آزمایشگاهی است که در شیمی کاربرد فراوان دارد. در این روش با تعیین مقدار گرمای انتقال یافته از سامانه به محیط یا برعکس ویژگی‌های دیگر مواد را تعیین می‌کنند. از جمله کاربردهای کالری‌سنجی در تعیین ظرفیت گرمایی ویژه دمای گذار فاز تغییرات آنتالپی برای مواد معدنی و یا آلی از جمله پلیمرها می‌باشد.

 انواع کالریمتری


آشنایی

بسیاری از کیسه‌‌های سرمازا که برای تخفیف درد در رگ به رگ شدن یک عضله یا پیچ خوردن پا مورد استفاده قرار می‌‌گیرند، حاوی کیسه کوچکی از نیترات آمونیوم در داخل کیسه بزرگتر که حاوی آب است، می‌‌باشد با فشار دادن کیسه سرمازا نیترات آمونیوم از کیسه خارج شده و وارد آب می‌‌شود و چون واکنش آن با آب گرماگیر می‌‌باشد گرمای لازم را از بدن شخص می‌‌گیرد. با گذاشتن این کیسه‌‌ها در محل آسیب دیده ، موضع آسیب دیده سرد شده و فرد درد کمتری احساس می‌کند.

بررسی ترمودینامیکی واکنش گرماگیر

وقتی میزان سطح انرژی در مواد اولیه پایینتر از محصولات باشد، واکنش به دلیل پایدار بودن مواد اولیه نیاز به انرژی دارد تا پیوندهای اولیه شکسته شده و پیوندهای جدید حاصل شوند در این صورت واکنش گرمای لازم را از محیط جذب می‌‌کند این تغییر انرژی را با (+ΔH) نشان می‌‌دهند. واکنشهای گرماگیر به صورت خود به خودی انجام نمی‌‌گیرند و برای انجام گرفتن واکنش نیاز به جذب انرژی یا انجام کار روی سیستم دارند.


از لحاظ ترمودینامیکی برای یک واکنش گرماگیر ΔG>0 یعنی ΔG=ΔH - TΔS در نتیجه ΔH>0 می‌باشد. در یک واکنش غیر خود به خودی ΔS<0 می‌‌باشد. بنابراین TΔS>0- چون T(-ΔS)<0 و T(-ΔS)>0- پس ΔG>0 بوده و واکنش غیر خود به خودی می‌‌باشد.

دید کلی

بسیاری از واکنشهای شیمیایی با آزاد کردن انرژی همراه هستند. این انرژی آزاد شده می‌تواند بصورت گرما ، نور یا صدا باشد. چنین واکنش‌هایی را واکنش گرماده می‌گویند. روزانه از واکنش‌های گرماده زیادی برای منظورهای مختلف استفاده می‌کنیم. ساده‌ترین این واکنش‌ها روشن کردن کبریت است که واکنشی بین اکسیژن هوا و ماده آتشگیر آن رخ می‌دهد که با آزاد کردن نور و گرما همراه است. سوخت‌های طبیعی ترکیبات پیچیده‌ای از کربن و هیدروژن هستند. وقتی که این مواد در اکسیژن می‌سوزند دی‌اکسید کربن ، آب و حرارت ایجاد می‌کنند.

برخی از سوخت‌ها مانند هیدروژن و مواد منفجره مانند TNT و دینامیت‌ها در اثر واکنش ظرفیت‌های بالایی از انرژی را در مدت زمان کوتاهی آزاد می‌کنند، بنابراین انفجار را می‌توان واکنش گرماده در نظر گرفت که انرژی زیادی را بصورت گرما ، صدا و نور در زمان کمتری آزاد می‌کند.

img/daneshnameh_up/8/86/reaction.gif


انجام واکنش گرماده از لحاظ تئوری

طبق قانون بقای انرژی ، انرژی از بین نمی‌رود اما بصورت‌های دیگر تبدیل می‌شود، بنابراین انرژی یک سیستم مقدار ثابتی است. بعنوان مثال انرژی امروزی جهان با انرژی آن در هزاران سال پیش برابر است. واکنش‌های شیمیایی با تغییر انرژی همراه‌اند. در یک واکنش وقتی پیوندهای ناپایدار با پیوندهای پایدارتری جایگزین می‌شوند مقداری انرژی آزاد می‌شود، بنابراین تشکیل پیوندهای پایدار با آزاد کردن انرژی همراه است و وقتی میلیون‌ها پیوند پایدار در یک واکنش ایجاد می‌شود این انرژی‌ها با هم جمع شده و انرژی بالایی را بصورت حرارت ، نور یا انفجار آزاد می‌کنند.

بنابراین در یک واکنش گرماده سطح انرژی کمتر از سطح انرژی مواد واکنش دهنده است و گرمای آزاد شده را با آنتالپی منفی نمایش می‌دهند.

وقوع واکنش‌های گرماده از لحاظ ترمودینامیکی

برخی از واکنش‌های شیمیایی گرماده بصورت خود بخودی انجام می‌گیرند. میزان خود بخودی بودن یک واکنش را ΔG که معیاری از آنتروپی و محتوای آنتالپی است، مشخص می‌کند. اما پیش‌گویی خود بخودی بودن یک واکنش دلیل بر وقوع آن واکنش نیست. زیرا ترمودینامیک ، چیزی در مورد سرعت یک واکنش پیش‌بینی نمی‌کند. بعنوان مثال واکنش کربن با اکسیژن در دمای 25ْ و فشار 1 atm از لحاظ ترمودینامیکی قابل انجام است. اما بدون یک عامل موثر مثل حرارت ممکن است مخلوط کربن و مدت‌های مدیدی بدون تغییر باقی بماند.

تغییر آنتروپی یک محیط بر اثر گرمایی که بعلت تغییر آنتالپی واکنش به محیط یا از محیط منتقل می‌شود بوقوع می‌پیوندد. هر چه بزرگ‌تر باشد بی‌نظمی بیشتری در محیط ایجاد می‌شود.

پس در یک واکنش گرماده خود بخودی:

ΔG = ΔH -TΔs < 0


 

0> ΔH در یک واکنش گرمازا


 

Δs > 0 میزان بی‌نظمی در یک واکنش خود بخودی


 

پس T.Δs > 0


آنگاه TΔs < 0- است. چون Δs برای یک تغییر خود بخود بزرگتر از صفر است و TΔs کل هم باید بزرگتر از صفر باشد در اینصورت بوده برای یک تغییر خود بخود است. برای بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در 25 درجه سانتیگراد و فشار 1atm مقدار مطلق ΔH بسیار بزرگتر از مقدار TΔs می‌باشد در این شرایط واکنش‌های گرمازا بصورت خود بخود صورت می‌گیرند.

استفاده از واکنش‌های گرمازا در صنعت

بیشتر کوره‌های احتراقی که عملیات گداختن و تصفیه کانی آهن و تولید آهن در آنها انجام می‌گیرد نیاز به دماهای بسیار بالا برای انجام واکنش دارند. در عملیات ذوب سنگ آهن ، سنگ آهن را با کک و سنگ آهک در کوره قرار داده و جریانی از هوای داغ را به درون کوره هدایت می‌کنند. واکنش کک ( کربن ) با اکسیژن بسیار گرمازا است. بنابراین این کوره‌ها را از اکسیژن غنی می‌کنند. کک در اثر گرما هوای داغ با اکسیژن وارد واکنش شده و ایجاد می‌کند که از گرمای فراوان حاصل از این واکنش برای ذوب سنگ آهن استفاده می‌شود