5.3: Calorimetry

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mbinu ya calorimetry
• Tumia na kutafsiri joto na mali zinazohusiana kwa kutumia data ya kawaida ya calorimetry

Mbinu moja tunaweza kutumia kupima kiasi cha joto kinachohusika katika mchakato wa kemikali au kimwili hujulikana kama calorimetry. Calorimetry hutumiwa kupima kiasi cha joto kuhamishiwa au kutoka kwa dutu. Kwa kufanya hivyo, joto hubadilishana na kitu cha sanifu (calorimeter). Mabadiliko ya joto yaliyopimwa na calorimeter hutumiwa kupata kiasi cha joto kilichohamishwa na mchakato chini ya utafiti. Upimaji wa uhamisho wa joto kwa kutumia mbinu hii inahitaji ufafanuzi wa mfumo (dutu au vitu vinavyofanyika mabadiliko ya kemikali au kimwili) na mazingira yake (mambo mengine yote, ikiwa ni pamoja na vipengele vya vifaa vya kupima, ambavyo hutumikia kutoa joto kwa mfumo au kunyonya joto kutoka mfumo).

Kalorimeter ni kifaa kinachotumiwa kupima kiasi cha joto kinachohusika katika mchakato wa kemikali au kimwili. Kwa mfano, wakati mmenyuko wa exothermic hutokea katika suluhisho katika calorimeter, joto linalozalishwa na mmenyuko linafyonzwa na suluhisho, ambalo huongeza joto lake. Wakati mmenyuko wa mwisho hutokea, joto linalohitajika linatokana na nishati ya joto ya suluhisho, ambayo inapungua joto lake (Mchoro 5.11). Mabadiliko ya joto, pamoja na joto maalum na wingi wa suluhisho, inaweza kutumika kuhesabu kiasi cha joto kinachohusika katika kesi yoyote.

Kielelezo 5.11 Katika uamuzi wa calorimetric, ama (a) mchakato wa exothermic hutokea na joto, q, ni hasi, kuonyesha kwamba nishati ya joto huhamishwa kutoka kwenye mfumo hadi kwenye mazingira yake, au (b) mchakato wa mwisho hutokea na joto, q, ni chanya, kuonyesha kwamba nishati ya joto huhamishwa kutoka mazingira hadi kwenye mfumo.

Vipimo vya kalorimetry ni muhimu katika kuelewa joto lililohamishwa katika athari zinazohusisha kila kitu kutoka kwa protini microscopic hadi mashine kubwa. Wakati wake katika Ofisi ya Taifa ya Viwango, mtaalamu wa utafiti Reatha Clark King alifanya majaribio ya calorimetric kuelewa jua kali sahihi ya misombo mbalimbali ya unga. Kazi yake ilikuwa muhimu kwa NASA katika jitihada zao za nishati bora za roketi.

Wanasayansi hutumia calorimeters vizuri maboksi kwamba wote lakini kuzuia uhamisho wa joto kati ya calorimeter na mazingira yake, ambayo kwa ufanisi mipaka “mazingira” kwa vipengele nonsystem na calorimeter (na calorimeter yenyewe). Hii inawezesha uamuzi sahihi wa joto linalohusika katika michakato ya kemikali, maudhui ya nishati ya vyakula, na kadhalika. Wanafunzi wa kemia ya kawaida hutumia calorimeters rahisi zilizojengwa kutoka vikombe vya polystyrene (Mchoro 5.12). Hizi rahisi kutumia “kikombe cha kahawa” calorimeters kuruhusu kubadilishana zaidi joto na mazingira ya nje, na hivyo kuzalisha maadili chini ya nishati sahihi.

Kielelezo 5.12 Calorimeter rahisi inaweza kujengwa kutoka vikombe viwili vya polystyrene. Thermometer na stirrer hupanua kupitia kifuniko ndani ya mchanganyiko wa majibu.

Calorimeters za ufumbuzi wa kibiashara zinapatikana pia. Kiasi cha calorimeters cha gharama nafuu mara nyingi hujumuisha vikombe viwili vidogo vilivyotengenezwa kwa njia ambayo hupunguza mawasiliano ya mafuta wakati wa matumizi, pamoja na kifuniko cha maboksi, stirrer ya handheld, na thermometer rahisi. Calorimeters ghali zaidi kutumika kwa ajili ya sekta na utafiti kawaida kuwa vizuri maboksi, kikamilifu iliyoambatanishwa majibu chombo, motorized kuchochea utaratibu, na sahihi zaidi joto sensor (Kielelezo 5.13).

Kielelezo 5.13 Calorimeters ya ufumbuzi wa kibiashara huanzia (a) mifano rahisi, isiyo na gharama nafuu kwa matumizi ya mwanafunzi kwa (b) mifano ya gharama kubwa, sahihi zaidi ya sekta na utafiti.

Kabla ya kujadili calorimetry ya athari za kemikali, fikiria mfano rahisi unaoonyesha wazo la msingi nyuma ya calorimetry. Tuseme sisi awali tuna dutu ya juu ya joto, kama vile kipande cha moto cha chuma (M), na dutu la chini la joto, kama vile maji baridi (W). Ikiwa tunaweka chuma ndani ya maji, joto litatoka kutoka M hadi W. joto la M litapungua, na joto la W litaongezeka, mpaka vitu viwili vina joto sawa - yaani, wakati wanafikia usawa wa joto (Mchoro 5.14). Ikiwa hii hutokea katika calorimeter, kwa hakika uhamisho huu wote wa joto hutokea kati ya vitu viwili, bila joto lililopatikana au limepotea na mazingira yake ya nje. Chini ya hali hizi nzuri, mabadiliko ya joto halisi ni sifuri:

$$q_{\text{Dutu M}}+q_{\text{Dutu W}}=0$$

Uhusiano huu unaweza kupangwa upya ili kuonyesha kwamba joto lililopatikana kwa dutu M ni sawa na joto lililopotea na dutu W:

$$q_{\text{Dutu M}}=\text{-}{q}_{\text{Dutu W}}$$

Ukubwa wa joto (mabadiliko) kwa hiyo ni sawa kwa vitu vyote viwili, na ishara hasi inaonyesha tu kwamba _{dutu M} na q _{dutu W} ni kinyume na mwelekeo wa mtiririko wa joto (faida au kupoteza) lakini haionyeshi ishara ya hesabu ya aidha q thamani (kwamba ni kuamua na kama jambo katika swali faida au kupoteza joto, kwa ufafanuzi). Katika hali maalum iliyoelezwa, _{dutu M} ni thamani hasi na _{dutu W} ni chanya, kwani joto huhamishwa kutoka M hadi W.

Kielelezo 5.14 Katika mchakato rahisi wa calorimetry, (a) joto, q, huhamishwa kutoka chuma cha moto, M, hadi maji baridi, W, mpaka (b) wote wawili wana joto sawa.

Mfano 5.3

Uhamisho wa joto kati ya vitu katika Joto tofauti

Kipande cha rebar 360.0-g (fimbo ya chuma inayotumiwa kuimarisha saruji) imeshuka ndani ya 425 ml ya maji saa 24.0 °C Halijoto la mwisho la maji lilipimwa kama 42.7 °C Kuhesabu joto la awali la kipande cha rebar. Fikiria joto maalum la chuma ni sawa na ile ya chuma (Jedwali 5.1), na kwamba uhamisho wote wa joto hutokea kati ya rebar na maji (hakuna kubadilishana joto na mazingira).

Suluhisho

Joto la maji huongezeka kutoka 24.0 °C hadi 42.7 °C, hivyo maji huchukua joto. Joto hilo lilitoka kwenye kipande cha rebar, ambacho awali kilikuwa kwenye joto la juu. Kwa kuzingatia kwamba uhamisho wote wa joto ulikuwa kati ya rebar na maji, bila joto “lililopotea” kwa mazingira ya nje, halafu joto limetolewa na rebar = -joto lililochukuliwa na maji, au:

$$q_{\text{rebar}}=\text{-}{q}_{\text{maji}}$$

Kwa kuwa tunajua jinsi joto linahusiana na kiasi kingine cha kupimika, tuna:

$${(c\times m\times \text{Δ}\text{T})}_{\text{rebar}}={-\; (c\times m\times \text{Δ}\text{T})}_{\text{maji}}$$

Kuruhusu f = mwisho na i = awali, katika fomu iliyopanuliwa, hii inakuwa:

$$c_{\text{rebar}}\times m_{\text{rebar}}\times (T_{\text{f, rebar}}-T_{\text{Mimi, rebar}})=\text{-}{c}_{\text{maji}}\times m_{\text{maji}}\times (T_{\text{f, maji}}-T_{\text{i, maji}})$$

Uzito wa maji ni 1.0 g/ml, hivyo 425 ml ya maji = 425 g Ikibainisha kuwa joto la mwisho la rebar na maji ni 42.7 °C, badala ya maadili inayojulikana huzaa:

$$\left(0.449\text{J/g °C}\right)\left(360.0\text{g}\right)(42.7\text{°C}-T_{\text{Mimi, rebar}})=-\left(4.184\text{J/g °C}\right)\left(425\text{g}\right)(42.7\text{°C}-24.0\text{°C})$$

$$T_{\text{Mimi, rebar}}=\frac{(4.184\text{J/g °C})(425\text{g})(42.7\text{°C}-24.0\text{°C})}{(0.449\text{J/g °C})(360.0\text{g})}+42.7\text{°C}$$

Kutatua hili kunatoa T _{i, rebar} = 248 °C, hivyo joto la awali la rebar lilikuwa 248 °C.

Angalia Kujifunza Yako

Kipande cha shaba cha 248-g kinashuka ndani ya 390 ml ya maji kwenye 22.6 °C Halijoto la mwisho la maji lilipimwa kama 39.9 °C Kuhesabu joto la awali la kipande cha shaba. Fikiria kwamba uhamisho wote wa joto hutokea kati ya shaba na maji.

Jibu:

Halijoto ya awali ya shaba ilikuwa 335.6 °C.

Angalia Kujifunza Yako

Kipande cha shaba cha 248-g awali saa 314 °C kinashuka ndani ya 390 mL ya maji awali saa 22.6 °C Kutokana kwamba uhamisho wote wa joto hutokea kati ya shaba na maji, kuhesabu joto la mwisho.

Jibu:

Halijoto ya mwisho (iliyofikiwa na shaba na maji) ni 38.7 °C.

Njia hii pia inaweza kutumika kuamua kiasi kingine, kama vile joto maalum la chuma kisichojulikana.

Mfano 5.4

Kutambua Metal kwa kupima joto maalum

Kipande cha chuma cha 59.7 g kilichokuwa kimejaa ndani ya maji ya moto kilihamishwa haraka ndani ya 60.0 ml ya maji awali saa 22.0 °C joto la mwisho ni 28.5 °C Tumia data hizi kuamua joto maalum la chuma. Tumia matokeo haya kutambua chuma.

Suluhisho

Kutokana na uhamisho kamili wa joto, joto lililotolewa na chuma = -joto lililochukuliwa na maji, au:

$$q_{\text{chuma}}=\text{-}{q}_{\text{maji}}$$

Katika fomu iliyopanuliwa, hii ni:

$$c_{\text{chuma}}\times m_{\text{chuma}}\times (T_{\text{f, chuma}}-T_{\text{i, chuma}})=\text{-}{c}_{\text{maji}}\times m_{\text{maji}}\times (T_{\text{f, maji}}-T_{\text{i, maji}})$$

Akibainisha kuwa tangu chuma kilipokuwa kimejaa maji ya moto, joto lake la awali lilikuwa 100.0 °C; na kwamba kwa maji, 60.0 mL = 60.0 g; tuna:

$$(c_{\text{chuma}})(59.7\text{g})(28.5\text{°C}-100.0\text{°C})=-\; (4.18\text{J/g °C})(60.0\text{g})(28.5\text{°C}-22.0\text{°C})$$

Kutatua hili:

$$c_{\text{chuma}}=\frac{-(4.184\text{J/g °C})(60.0\text{g})(6.5\text{°C})}{(59.7\text{g})(-71.5\text{°C})}=0.38\text{J/g °C}$$

Kulinganisha hili na maadili katika Jedwali 5.1, joto letu maalum la majaribio ni karibu na thamani ya shaba (0.39 J/g °C), hivyo tunatambua chuma kama shaba.

Angalia Kujifunza Yako

Kipande cha 92.9-g cha chuma cha fedha/kijivu kinawaka hadi 178.0 °C, halafu huhamishwa haraka ndani ya 75.0 ml ya maji awali saa 24.0 °C Baada ya dakika 5, chuma na maji vimefikia joto sawa: 29.7 °C Kuamua joto maalum na utambulisho wa chuma. (Kumbuka: Unapaswa kupata kwamba joto maalum ni karibu na ile ya metali mbili tofauti. Eleza jinsi unaweza kuamua kwa uaminifu utambulisho wa chuma).

Jibu:

c _chuma = 0.13 J/g °C

Joto hili maalum ni karibu na lile la dhahabu au risasi. Itakuwa vigumu kuamua ambayo chuma hii ilikuwa msingi tu juu ya maadili ya namba. Hata hivyo, uchunguzi kwamba chuma ni fedha/kijivu pamoja na thamani ya joto maalum inaonyesha kwamba chuma ni kuongoza.

Tunapotumia calorimetry kuamua joto linalohusika katika mmenyuko wa kemikali, kanuni sawa ambazo tumejadili zinatumika. Kiasi cha joto kinachotumiwa na calorimeter mara nyingi ni ndogo ya kutosha ili tuweze kuipuuza (ingawa si kwa vipimo sahihi sana, kama ilivyojadiliwa baadaye), na calorimeter inapunguza kubadilishana nishati na mazingira ya nje. Kwa sababu nishati haijaundwa wala kuharibiwa wakati wa mmenyuko wa kemikali, joto zinazozalishwa au zinazotumiwa katika mmenyuko (“mfumo”), _mmenyuko, pamoja na joto lililoweza kufyonzwa au kupotea na suluhisho (“mazingira”), _suluhisho, lazima liongeze hadi sifuri:

$$q_{\text{itikio}}+q_{\text{suluhisho}}=0$$

Hii ina maana kwamba kiasi cha joto kilichozalishwa au kinachotumiwa katika mmenyuko ni sawa na kiasi cha joto kinachotumiwa au kilichopotea na suluhisho:

$$q_{\text{itikio}}=\text{-}{q}_{\text{suluhisho}}$$

Dhana hii iko katika moyo wa matatizo yote ya calorimetry na mahesabu.

Mfano 5.5

Joto Inazalishwa na mmenyuko wa Exothermic

Wakati 50.0 ml ya 1.00 M HCl (aq) na 50.0 ml ya 1.00 M NaOH (aq), wote kwa 22.0 °C, huongezwa kwenye calorimeter ya kikombe cha kahawa, joto la mchanganyiko hufikia kiwango cha juu cha 28.9 °C Ni kiasi gani cha joto kinachozalishwa na mmenyuko huu?

$$\text{HCl}(aq)+\text{NaOH}(aq)⟶\text{NaCl}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Suluhisho

Ili kutazama kile kinachoendelea, fikiria kwamba unaweza kuchanganya ufumbuzi huo kwa haraka sana kwamba hakuna majibu yalifanyika wakati walichanganya; kisha baada ya kuchanganya, majibu yalifanyika. Wakati wa kuchanganya, una 100.0 ml ya mchanganyiko wa HCl na NaOH saa 22.0 °C HCl na NaOH kisha huitikia mpaka joto la suluhisho lifikia 28.9 °C.

Joto lililotolewa na mmenyuko ni sawa na ile iliyochukuliwa na suluhisho. Kwa hiyo:

$$q_{\text{itikio}}=\text{-}{q}_{\text{suluhisho}}$$

(Ni muhimu kukumbuka kuwa uhusiano huu unashikilia tu ikiwa calorimeter haina kunyonya joto lolote kutokana na mmenyuko, na hakuna kubadilishana joto kati ya calorimeter na mazingira ya nje.)

Kisha, tunajua kwamba joto linaloingizwa na suluhisho linategemea joto lake maalum, wingi, na mabadiliko ya joto:

$$q_{\text{suluhisho}}={(c\times m\times \text{Δ}T)}_{\text{suluhisho}}$$

Ili kuendelea na hesabu hii, tunahitaji kufanya mawazo machache zaidi au makadirio. Kwa kuwa suluhisho ni la maji, tunaweza kuendelea kama maji kwa suala la joto lake maalum na maadili ya wingi. Uzito wa maji ni takriban 1.0 g/ml, hivyo 100.0 ml ina wingi wa karibu 1.0$\times$10 ² g (takwimu mbili muhimu). Joto maalum la maji ni takriban 4.184 J/g °C, kwa hiyo tunatumia hilo kwa joto maalum la suluhisho. Kubadilisha maadili haya hutoa:

$$q_{\text{suluhisho}}=(4.184\text{J/g °C})(1.0\times {10}^2\text{g})(28.9\text{°C}-22.0\text{°C})=2.9\times {10}^3\text{J}$$

Hatimaye, kwa kuwa tunajaribu kupata joto la mmenyuko, tuna:

$$q_{\text{itikio}}=\text{-}{q}_{\text{suluhisho}}=-2.9\times {10}^3\text{J}$$

Ishara hasi inaonyesha kwamba mmenyuko ni exothermic. Inazalisha 2.9 kJ ya joto.

Angalia Kujifunza Yako

Wakati 100 ml ya NaCl 0.200 M (aq) na 100 ml ya 0.200 M AgNo ₃ (aq), zote mbili kwenye 21.9 °C, huchanganywa katika kalorimeter ya kikombe cha kahawa, halijoto huongezeka hadi 23.5 °C kama aina imara za AgCl. Ni joto gani linalozalishwa na mmenyuko huu wa mvua? Ni mawazo gani uliyofanya ili kuamua thamani yako?

Jibu:

1.34$\times$1.3 kJ; kudhani hakuna joto linachukuliwa na calorimeter, hakuna joto linalobadilishwa kati ya calorimeter na mazingira yake, na kwamba joto maalum na wingi wa suluhisho ni sawa na yale ya maji

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Thermochemistry ya Warmers mkono

Unapofanya kazi au kucheza nje siku ya baridi, unaweza kutumia joto la mkono ili joto la mikono yako (Kielelezo 5.15). Joto la kawaida la kawaida la mkono lina suluhisho la supersaturated la NaC ₂ H ₃ O ₂ (acetate ya sodiamu) na disc ya chuma. Bending disk inajenga maeneo ya nucleation karibu na ambayo metastable NaC ₂ H ₃ O ₂ haraka crystallizes (sura ya baadaye juu ya ufumbuzi kuchunguza kueneza na supersaturation kwa undani zaidi).

Mchakato${\text{NaC}}_2{\text{H}}_3{\text{O}}_2(aq)⟶{\text{NaC}}_2{\text{H}}_3{\text{O}}_2(s)$ni exothermic, na joto zinazozalishwa na mchakato huu ni kufyonzwa na mikono yako, na hivyo joto yao (angalau kwa muda). Ikiwa joto la mkono linatengenezwa tena, NaC ₂ H ₃ O ₂ hupasuka na inaweza kutumika tena.

Kielelezo 5.15 joto mkono kemikali kuzalisha joto kwamba warms mkono wako siku ya baridi. Katika hii, unaweza kuona disc ya chuma ambayo inaanzisha mmenyuko wa mvua ya nje. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Sayansi Buddies TV/YouTube)

Mwingine kawaida mkono joto hutoa joto wakati ni ripped wazi, kuwasababishia chuma na maji katika mkono joto kwa oksijeni katika hewa. Toleo moja rahisi la mmenyuko huu wa exothermic ni$2\text{Fe}(s)+\frac{3}{2}{\text{O}}_2(g)⟶{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3(s).$Chumvi katika joto la mkono huchochea mmenyuko, hivyo hutoa joto kwa kasi zaidi; selulosi, vermiculite, na mkaa ulioamilishwa husaidia kusambaza joto sawasawa. Aina nyingine za joto za mkono hutumia maji nyepesi (kichocheo cha platinum husaidia kioevu nyepesi oxidize exothermically), mkaa (mkaa oxidizes katika kesi maalum), au vitengo vya umeme vinavyozalisha joto kwa kupitisha sasa umeme kutoka betri kupitia waya za kupinga.

Unganisha na Kujifunza

Kiungo hiki kinaonyesha mmenyuko wa mvua unaotokea wakati diski katika joto la mkono wa kemikali linabadilika.

Mfano 5.6

Mtiririko wa joto katika pakiti ya barafu ya papo

Wakati nitrati imara ya amonia inapasuka katika maji, suluhisho inakuwa baridi. Hii ni msingi wa “pakiti ya barafu ya papo hapo” (Kielelezo 5.16). Wakati 3.21 g ya NH ₄ NO ₃ imara hupasuka katika 50.0 g ya maji kwenye 24.9 °C katika calorimeter, halijoto hupungua hadi 20.3 °C.

Tumia thamani ya q kwa mmenyuko huu na ueleze maana ya ishara yake ya hesabu. Hali mawazo yoyote uliyoifanya.

Kielelezo 5.16 Pakiti ya baridi ya papo hapo ina mfuko ulio na nitrati imara ya amonia na mfuko wa pili wa maji. Wakati mfuko wa maji umevunjika, pakiti inakuwa baridi kwa sababu kuvunjwa kwa nitrati ya amonia ni mchakato wa mwisho ambao huondoa nishati ya joto kutoka kwa maji. Pakiti ya baridi kisha huondoa nishati ya joto kutoka kwa mwili wako.

Suluhisho

Tunadhani kwamba calorimeter inazuia uhamisho wa joto kati ya suluhisho na mazingira yake ya nje (ikiwa ni pamoja na calorimeter yenyewe), katika hali hiyo:

$$q_{\text{rxn}}=\text{-}{q}_{\text{hivi karibuni}}$$

na “rxn” na “soln” kutumika kama shorthand kwa “majibu” na “ufumbuzi,” kwa mtiririko huo.

Kutokana pia kwamba joto maalum ya suluhisho ni sawa na ile ya maji, tuna:

$$\begin{array}{}\\ q_{\text{rxn}}=\text{-}{q}_{\text{hivi karibuni}}={-\; (c\times m\times \text{Δ}T)}_{\text{hivi karibuni}}\\ =\text{- [(}4.184\text{J/g °C})\times (53.2\text{g})\times (20.3\text{°C}-24.9\text{°C})]\\ =\text{- [(}4.184\text{J/g °C})\times (53.2\text{g})\times (-4.6\text{°C})]\\ \text{+}1.0\times {10}^3\text{J}=\mathrm{+1.0}\text{KJ}\end{array}$$

Ishara nzuri kwa q inaonyesha kwamba uharibifu ni mchakato wa mwisho.

Angalia Kujifunza Yako

Wakati sampuli ya 3.00-g ya KCl iliongezwa kwa 3.00$\times$10 ² g ya maji katika calorimeter ya kikombe cha kahawa, joto lilipungua kwa 1.05 °C Ni kiasi gani cha joto kinachohusika katika kuvunjwa kwa kCl? Ulifanya mawazo gani?

Jibu:

1.33 kJ; kudhani kwamba calorimeter kuzuia uhamisho wa joto kati ya suluhisho na mazingira yake ya nje (ikiwa ni pamoja na calorimeter yenyewe) na kwamba joto maalum la suluhisho ni sawa na ile ya maji

Ikiwa kiasi cha joto kinachochukuliwa na calorimeter ni kubwa mno kupuuza au ikiwa tunahitaji matokeo sahihi zaidi, basi tunapaswa kuzingatia joto lililofanywa na suluhisho na kwa calorimeter.

Calorimeters ilivyoelezwa ni iliyoundwa kufanya kazi kwa shinikizo la mara kwa mara (anga) na ni rahisi kupima mtiririko wa joto unaoongozana na taratibu zinazotokea katika suluhisho. Aina tofauti ya calorimeter ambayo inafanya kazi kwa kiasi cha mara kwa mara, inayojulikana kwa colloquially kama calorimeter ya bomu, hutumiwa kupima nishati zinazozalishwa na athari zinazozalisha kiasi kikubwa cha joto na bidhaa za gesi, kama vile athari za mwako. (Neno “bomu” linatokana na uchunguzi kwamba athari hizi zinaweza kuwa na nguvu za kutosha kufanana na milipuko ambayo ingeharibu kalori nyingine.) Aina hii ya calorimeter ina chombo cha chuma kilicho imara (“bomu”) ambacho kina majibu na yenyewe imejaa maji (Kielelezo 5.17). Sampuli imewekwa kwenye bomu, ambayo hujazwa na oksijeni kwenye shinikizo la juu. Cheche ndogo ya umeme hutumiwa kupuuza sampuli. Nishati zinazozalishwa na mmenyuko huingizwa na bomu la chuma na maji yaliyo karibu. Ongezeko la joto hupimwa na, pamoja na uwezo wa joto unaojulikana wa calorimeter, hutumiwa kuhesabu nishati zinazozalishwa na majibu. Calorimeters za bomu zinahitaji calibration kuamua uwezo wa joto wa calorimeter na kuhakikisha matokeo sahihi. Calibration imekamilika kwa kutumia mmenyuko na q inayojulikana, kama vile kiasi cha kipimo cha asidi benzoiki kinachopuuzwa na cheche kutoka waya ya fyuzi ya nikeli inayohesabiwa kabla na baada ya mmenyuko. Mabadiliko ya joto yanayotokana na mmenyuko unaojulikana hutumiwa kuamua uwezo wa joto wa calorimeter. Calibration kwa ujumla hufanyika kila wakati kabla ya calorimeter kutumiwa kukusanya data za utafiti.

Kielelezo 5.17 (a) Kalorimeter ya bomu hutumiwa kupima joto lililozalishwa na athari zinazohusisha majibu ya gesi au bidhaa, kama vile mwako. (b) Majibu yanayomo katika “bomu” la gesi, ambalo linaingia ndani ya maji na kuzungukwa na vifaa vya kuhami. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Harbor1” /Wikimedia commons)

Unganisha na Kujifunza

Bofya kwenye kiungo hiki ili uone jinsi calorimeter ya bomu imeandaliwa kwa hatua.

Tovuti hii inaonyesha mahesabu ya calorimetric kutumia data ya sampuli.

Mfano 5.7

bomu Calorimetry

Wakati 3.12 g ya glucose, C ₆ H ₁₂ O ₆, inateketezwa katika calorimeter ya bomu, joto la calorimeter huongezeka kutoka 23.8 °C hadi 35.6 °C Kalorimeter ina 775 g ya maji, na bomu yenyewe ina uwezo wa joto wa 893 J/°C Kiasi gani cha joto kilichozalishwa na mwako wa sampuli ya glucose?

Suluhisho

Mwako huzalisha joto ambalo kimsingi linafyonzwa na maji na bomu. (Kiasi cha joto kinachotumiwa na bidhaa za mmenyuko na oksijeni isiyo ya kawaida ni ndogo na kushughulika nao ni zaidi ya upeo wa maandiko haya. Tutawapuuza katika mahesabu yetu.)

Joto lililozalishwa na mmenyuko linafyonzwa na maji na bomu:

$$\begin{array}{l}{q}_{\text{rxn}}=-\; (q_{\text{maji}}+q_{\text{bomu}})\\ =-\; [(4.184\text{J/g °C})\times (775\text{g})\times (35.6\text{°C}-23.8\text{°C})+893\text{J/°C}\times (35.6\text{°C}-23.8\text{°C})]\\ =-\; (\mathrm{38,300}\text{J}+\mathrm{10,500}\text{J})\\ =\text{-48,800 M}=\text{-48.8 kJ}\end{array}$$

Mmenyuko huu ulitoa 48.7 kJ ya joto wakati 3.12 g ya glucose ilichomwa moto.

Angalia Kujifunza Yako

Wakati 0.963 g ya benzini, C ₆ H ₆, inateketezwa katika kalorimeter ya bomu, halijoto ya calorimeter huongezeka kwa 8.39 °C bomu ina uwezo wa joto ya 784 J/°C na imejaa ndani ya 925 mL ya maji. Ni kiasi gani cha joto kilichozalishwa na mwako wa sampuli ya benzini?

Jibu:

q _rx = —39.0 kJ (mmenyuko uliozalishwa 39.0 kJ ya joto)

Tangu kwanza ilijengwa mwaka wa 1899, kalori 35 zimejengwa kupima joto lililozalishwa na mtu aliye hai. ² Hizi calorimeters nzima ya mwili wa miundo mbalimbali ni kubwa ya kutosha kushikilia mwanadamu binafsi. Hivi karibuni, calorimeters nzima ya chumba huruhusu shughuli za kawaida zifanyike, na calorimeters hizi zinazalisha data ambazo zinaonyesha kwa karibu zaidi ulimwengu wa kweli. Calorimeters hizi hutumiwa kupima kimetaboliki ya watu binafsi chini ya hali tofauti za mazingira, utawala tofauti wa chakula, na hali tofauti za afya, kama vile ugonjwa wa kisukari.

Kwa mfano, timu ya Carla Prado katika Chuo Kikuu cha Alberta ilichukua calorimetry nzima ya mwili kuelewa matumizi ya nishati ya wanawake ambao hivi karibuni wamezaliwa. Mafunzo kama haya husaidia kuendeleza mapendekezo bora na mifumo ya lishe, zoezi, na ustawi wa jumla wakati huu wa mabadiliko makubwa ya kisaikolojia. Kwa binadamu, kimetaboliki ni kawaida kipimo katika kalori kwa siku. Kalori ya lishe (Kalori) ni kitengo cha nishati kinachotumiwa kupima kiasi cha nishati inayotokana na kimetaboliki ya vyakula; Kalori moja ni sawa na kalori 1000 (1 kcal), kiasi cha nishati kinachohitajika ili kuchoma kilo 1 cha maji kwa 1 °C.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Kupima kalori za Lishe

Katika maisha yako ya kila siku, unaweza kuwa na ujuzi zaidi na nishati zinazotolewa katika kalori, au kalori za lishe, ambazo hutumiwa kupima kiasi cha nishati katika vyakula. Kalori moja (cal) = hasa 4.184 joules, na kalori moja (kumbuka mtaji) = 1000 cal, au 1 kcal. (Hii ni takriban kiasi cha nishati kinachohitajika ili kuchoma kilo 1 cha maji kwa 1 °C.)

Macronutrients katika chakula ni protini, wanga, na mafuta au mafuta. Protini hutoa kalori 4 kwa gramu, wanga pia hutoa kalori 4 kwa gramu, na mafuta na mafuta hutoa takriban 9 kalori/G. maandiko ya lishe kwenye paket chakula kuonyesha maudhui caloric ya huduma moja ya chakula, pamoja na kuvunjika kwa kalori kutoka kila moja ya macronutrients tatu ( Kielelezo 5.18).

Kielelezo 5.18 (a) Macaroni na jibini vyenye nishati kwa namna ya macronutrients katika chakula. (b) habari ya chakula ya lishe ni umeonyesha kwenye studio mfuko. Nchini Marekani, maudhui ya nishati hutolewa kwa Kalori (kwa kutumikia); ulimwengu wote hutumia kilojoules. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Rex Roof” /Flickr)

Kwa mfano ulioonyeshwa katika (b), nishati ya jumla kwa sehemu ya 228-g inahesabiwa na:

$$(5\text{g protini}\times 4\text{kalories/g})+(31\text{g carb}\times 4\text{kalories/g})+(12\text{g mafuta}\times 9\text{kalories/g})=252\text{Kalori}$$

Kwa hiyo, unaweza kutumia maandiko ya chakula kuhesabu kalori zako. Lakini maadili yanatoka wapi? Na ni sahihi gani? Maudhui ya caloric ya vyakula yanaweza kuamua kwa kutumia calorimetry ya bomu; yaani, kwa kuchoma chakula na kupima nishati iliyo nayo. Sampuli ya chakula hupimwa, imechanganywa katika blender, kufungia-kavu, chini ya poda, na kuundwa ndani ya pellet. Pellet huchomwa ndani ya calorimeter ya bomu, na mabadiliko ya joto ya kipimo hubadilishwa kuwa nishati kwa gramu ya chakula.

Leo, maudhui ya caloric kwenye maandiko ya chakula yanatokana na njia inayoitwa mfumo wa Atwater ambayo hutumia maudhui ya caloric ya wastani wa sehemu mbalimbali za kemikali za chakula, protini, kabohaidreti, na mafuta. Kiasi cha wastani ni zile zinazotolewa katika equation na zinatokana na matokeo mbalimbali yaliyotolewa na kalorimetry ya bomu ya vyakula vyote. Kiasi cha kabohaidreti kinapunguzwa kiasi fulani kwa maudhui ya fiber, ambayo ni kabohaidreti isiyoweza kuharibika. Kuamua maudhui ya nishati ya chakula, kiasi cha kabohaidreti, protini, na mafuta kila mmoja huongezeka kwa kalori wastani kwa gramu kwa kila mmoja na bidhaa zinazotolewa ili kupata nishati ya jumla.

Unganisha na Kujifunza

Bonyeza kiungo hiki ili kupata Idara ya Kilimo ya Marekani (USDA) National Nutrution Database, zenye taarifa za lishe juu ya zaidi ya 8000 vyakula.

maelezo ya chini

• 2 Francis D. Reardon et al. “Calorimeter ya binadamu ya Snellen ilibadilishwa upya, imebadilishwa tena na kuboreshwa: Tabia za kubuni na utendaji.” Medical na Biolojia Engineering na Computing 8 (2006) 721—28, http://link.springer.com/article/10....517-006-0086-5.