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全自動量熱反應(yīng)釜|量熱儀
原理:
量熱法是測量各種過程中所涉及的熱量和熱容量(例如,化學(xué)反應(yīng)熱、相變潛熱等)的方法。實(shí)際測量中,大多數(shù)情況是測量系統(tǒng)吸收熱量后溫度的變化。常溫下的測量用等溫量熱計(jì)或非等溫量熱計(jì)。測量溫度不同的物體相互接觸時(shí)吸收或放出的熱量,用非等溫量熱計(jì)量出其溫度變化的數(shù)值。
根據(jù)熱力學(xué)*定律,系統(tǒng)中內(nèi)能的變化等于對外界所做的功,在恒容條件下,其絕熱功為ΔU=QV;在恒壓條件下,ΔH=QP。系統(tǒng)的內(nèi)能U和焓H都是不可能測定的量,但是系統(tǒng)從狀態(tài)1到狀態(tài)2之間的內(nèi)能差ΔU和焓差ΔH可以用量熱的方法測得。
量熱是使欲測定的反應(yīng)在熱容量已知的儀器-量熱計(jì)中進(jìn)行,從反應(yīng)過程中量熱計(jì)溫度的變化來量度反應(yīng)的熱效應(yīng),即將熱當(dāng)量K乘以溫度變化值,由此就可直接得出反應(yīng)的熱效應(yīng)(Q=KΔt)。因此,要測量的量是實(shí)驗(yàn)過程中溫度的變化Δt和量熱計(jì)的熱當(dāng)量K,另外還需要準(zhǔn)確地確定參加反應(yīng)的物質(zhì)的數(shù)量和狀態(tài)。
測定放熱反應(yīng)熱原理示意圖
近代量熱方法的基本原理,主要是在一個(gè)量熱計(jì)內(nèi),將一定量物質(zhì)在化學(xué)變化或物理變化中所吸收或放出的熱量,與一定量電能或已知反應(yīng)放出的熱量相比較,此原理可用上圖來說明。圖中A代表量熱計(jì)的初態(tài),溫度為tA。B代表量熱計(jì)的末態(tài),溫度為tB。設(shè)一反應(yīng)為放熱反應(yīng),當(dāng)一定量物質(zhì)在量熱計(jì)內(nèi)反應(yīng)后,量熱計(jì)的溫度由初態(tài)tA升至末態(tài)tB,放出熱量為Q,則:
因?yàn)榻娔軠y量能夠達(dá)到很高程度的準(zhǔn)確性,為了測定量熱計(jì)熱當(dāng)量尺,在同一量熱計(jì)中輸入一定量的電能Qe使量熱計(jì)溫度由同一初態(tài)tA升到同一末態(tài)tB。
上述量熱原理,同樣適用于吸熱反應(yīng),此時(shí),只是在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)不斷輸送一定量電能,使量熱計(jì)的溫度始終保持不變。則當(dāng)反應(yīng)完了后,所輸入的電能就等于反應(yīng)吸收的熱量,其原理如下所示: [2]
量熱法原理
研究方向:
直接測定恒容過程熱效應(yīng)QV(ΔU)和恒壓過程熱效應(yīng)QP(ΔH)的實(shí)驗(yàn)方法稱為量熱法。量熱法是熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基本方法。通常能直接測定的熱效應(yīng),有物質(zhì)的熱容、溶解熱、稀釋熱、中和熱和燃燒熱等,測定這些熱效應(yīng),還可求算某些化合物的生成焓。物質(zhì)變化過程中的熱量值,在化工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際中都有重要意義,熱效應(yīng)的數(shù)據(jù)常用于計(jì)算平衡常數(shù)和其他熱力學(xué)量。熱力學(xué)*定律是量熱測定的基礎(chǔ),熱量測量的設(shè)計(jì)原理是:在絕熱條件下,將被測物質(zhì)置于某一量熱體系中進(jìn)行反應(yīng),它的熱效應(yīng)使體系的溫度升高或降低,測量反應(yīng)前后溫度的變化△丁及體系的熱容C,根據(jù)熱力學(xué)*定律即可計(jì)算反應(yīng)的熱效應(yīng)。
量熱法所研究的對象,是在具體過程中所發(fā)生的能量變化,它通常以熱的形式存在。熱是人們從遠(yuǎn)古以來就常見的現(xiàn)象,但是對于熱的本質(zhì),直到1840年左右還沒有弄明白。十八世紀(jì)末葉,大多數(shù)科學(xué)家接受了熱質(zhì)論。熱質(zhì)論將熱看作一種假想流體,在熱傳導(dǎo)過程中,它由熱物體流向冷物體,由熱物體失去的熱質(zhì)的量等于冷物體獲得的量。這種理論認(rèn)為熱質(zhì)的總量在所有過程中守恒,因而當(dāng)物體在高溫時(shí)所含的熱比冷卻下來后所含的熱要多。英國科學(xué)家Joule在1840年進(jìn)行了一系列有關(guān)熱-功轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn),證明物體由于受熱面發(fā)生的變化,在沒有熱量傳遞的情況下通過對物體作機(jī)械功也同樣能發(fā)生。典型的實(shí)驗(yàn)便是對液體用攪拌的方法,使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,也可使液體的溫度升高,此過程中并沒有熱質(zhì)流入液體。Jouler的實(shí)驗(yàn)結(jié)果宣告了熱質(zhì)論的破產(chǎn),證明了熱與功一樣,都是能量的一種形式。熱和功是可以相互轉(zhuǎn)換的,并測定出熱—功當(dāng)量的具體數(shù)值。在焦耳工作的基礎(chǔ)上,德國科學(xué)家Helmhohz于1847年*明確地提出能量守恒原理,即熱力學(xué)*定律。
熱力學(xué)*定律的建立使人們對于熱的本質(zhì)具有更清晰、更正確的認(rèn)識。根據(jù)熱力學(xué)*定律,熱是當(dāng)不同物體之間因有溫度的差別而進(jìn)行交換或傳遞的能量,只有當(dāng)存在溫度差時(shí),才有熱的傳遞。如果物體之間溫度相等,則沒有熱量的傳遞,熱只在被傳遞的過程中存在,因而熱是一種過程量。一個(gè)物體在熱的時(shí)候比在冷的時(shí)候具有更多的能量,而不能說具有更多的熱量。
被研究的系統(tǒng)若經(jīng)歷了某一過程,從一種狀態(tài)(始態(tài))變化到另一種狀態(tài)(末態(tài)),系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間多少都有能量的交換,使系統(tǒng)的內(nèi)能發(fā)生變化。系統(tǒng)與環(huán)境之間所交換的能量,有熱(因溫差的存在而傳遞的能量)和功(其他途徑所傳遞的能量)兩種形式。而熱量計(jì)則是用來測量這種能量變化的儀器。
熱量計(jì)于十九世紀(jì)末已經(jīng)開始得到應(yīng)用。它是研究各種過程中能量變化的有效手段,熱量計(jì)在科學(xué)研究及工業(yè)應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用,而且,其本身也正在不斷地改進(jìn)和完善,在熱量計(jì)的發(fā)展過程中,采用了許多先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù),使其變得更精確、更靈敏,應(yīng)用范圍更廣泛。
四種不同的類型:
等溫?zé)崃坑?jì),即在測量時(shí),量熱腔與環(huán)境的溫度保持不變,相變熱量計(jì)是典型的等溫?zé)崃坑?jì);
具有恒定溫度環(huán)境的熱量計(jì),這種熱量計(jì)的量熱腔與環(huán)境之間具有良好的隔熱層,但或多或少有“熱漏"存在。一般的反應(yīng)熱量計(jì)、彈式熱量計(jì)等均屬于這類熱量計(jì):
熱導(dǎo)式熱量計(jì),在進(jìn)行測量時(shí),這類熱量汁的溫度變化很小,且反應(yīng)前后溫度相等,因而基本上可以認(rèn)為熱導(dǎo)式熱量計(jì)是在等溫條件下進(jìn)行測定的;
掃描式熱量計(jì),其環(huán)境與系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間按事先規(guī)定的程序而變,如恒速升溫等,其量熱系統(tǒng)由被測體系和參考體系組成,各種熱分析儀均屬于這類熱量計(jì)。
技術(shù)參數(shù):
通過選配組件可以實(shí)現(xiàn)以下功能:
█ 反應(yīng)體系熱流動量熱分析,熱平衡量熱可選。
█ 自動加料控制,液體及氣體
█ 自動PH值控制,曲線控制或者恒值控制
█ 自動溫度控制,等溫控制以及曲線控制,采用德國huber及julabo油浴實(shí)現(xiàn)溫度控制。
█ 攪拌轉(zhuǎn)速控制,可實(shí)現(xiàn)扭矩測量,從而表征反應(yīng)體系粘度變化狀況
█ 反應(yīng)釜壓力、真空控制
█ 釜蓋加熱控制,防止產(chǎn)物在釜蓋上凝結(jié),保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性
█蒸餾回流控制
█通過采用獨(dú)立的用戶名以及密碼可以有效保證實(shí)驗(yàn)的安全
全自動量熱反應(yīng)釜|量熱儀
應(yīng)用
編輯
數(shù)據(jù)的測定
純物質(zhì)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的測定是量熱法重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。用量熱法測定在298.16K和標(biāo)準(zhǔn)壓力下各種化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng),便可得到物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓。通過測定等容和等壓過程的熱效應(yīng),可獲得物質(zhì)的內(nèi)能和焓的變化值。對純物質(zhì),用量熱法測定其從低溫到高溫各溫度范圍內(nèi)的比熱容Cp,以及在各相變點(diǎn)的可逆相變潛熱,便可由熱力學(xué)第三定律直接求出純物質(zhì)的規(guī)定熵,這樣由量熱法求得的熵也稱為量熱熵,由物質(zhì)的規(guī)定焓和規(guī)定熵的數(shù)值,就可以獲得純物質(zhì)的規(guī)定Gibbs自由能。在用量熱法測定物質(zhì)的規(guī)定熵時(shí),低溫度可測至幾K的低溫。更低溫度范圍內(nèi)的熱力學(xué)函數(shù)值通常可由Debge比熱公式計(jì)算求出。
各種物質(zhì)的比熱容、相變潛熱和諸如稀釋、溶解、混合及吸附等物理過程的熱效應(yīng),基本上是用量熱法測定的,這些物性數(shù)據(jù),已被制成各種各樣的表格,供人們查閱使用。這些基本的數(shù)據(jù)不論對于科學(xué)研究還是工業(yè)生產(chǎn)都是*的,在化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域,在建立任何一套生產(chǎn)裝置之前,都必須進(jìn)行工程設(shè)計(jì),而設(shè)計(jì)基本、初的程序是要對整個(gè)工藝流程進(jìn)行仔細(xì)的物料衡算和能量衡算,物料與能量的衡算正確與否,對于整個(gè)工程設(shè)計(jì)的成敗是至關(guān)重要的。在進(jìn)行能量衡算時(shí),則需要有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的焓變、原料及產(chǎn)物的比熱容、相變潛熱等等各類數(shù)據(jù)。在選擇工藝流程、確定生產(chǎn)操作指標(biāo)、估算生產(chǎn)大產(chǎn)率等方面,物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)都是很重要的。
量熱法在工業(yè)方面的另一重要用途是測定各種能源原料的發(fā)熱量,這些原料有:原油及天然氣、各不同產(chǎn)地的煤,石油工業(yè)的系列產(chǎn)品如汽油、煤油、柴油、液化石油氣及其他燃料等。燃料產(chǎn)品發(fā)熱值的大小是鑒定原料質(zhì)量高低或判定產(chǎn)品是否合格的重要依據(jù)。出售燃料產(chǎn)品的廠商須對其產(chǎn)品的發(fā)熱值給出低保證值,因此,在燃料工業(yè)上廣泛地采用熱量計(jì)來測定產(chǎn)品的發(fā)熱量,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
隨著人們生活水平的提高,對自身攝入的營養(yǎng)愈來愈講究,為了保持人體處于良好的能量平衡狀態(tài),必須對所攝入食物的能量作準(zhǔn)確的計(jì)算。因此,量熱法已廣泛用來測量各種食物的發(fā)熱值。人們便依據(jù)這些數(shù)據(jù)制定食譜以保證每天攝入適當(dāng)?shù)哪芰俊M瑯樱谛竽翀鰞?nèi),也依據(jù)這些數(shù)據(jù)為家畜配制飼料。用量熱法研究易爆易燃等危險(xiǎn)化學(xué)品的性質(zhì),對如何安全的處理和運(yùn)輸這些化學(xué)品是十分重要的。
熱分析熱滴定
掃描式熱量計(jì),特別是熱分析儀器的應(yīng)用領(lǐng)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出量熱的范圍,在動力學(xué)和測定物質(zhì)理化性質(zhì)方面,已得到廣泛的應(yīng)用。
應(yīng)用差熱分析熱譜曲線,可鑒定各種物質(zhì),不論是無機(jī)物還是有機(jī)物,都具有特征的DTA曲線,它們像“指紋"一樣表征物質(zhì)的特性,目前已出版了各種化合物的標(biāo)準(zhǔn)熱分析曲線圖譜集,以便于鑒別礦物、無機(jī)物、有機(jī)物及高聚物等化合物。
應(yīng)用DTA和DSC可測定固體及液體的比熱容、液-固及氣-液等一級相變的相變溫度和相變熱以及各類二級相變?nèi)绻虘B(tài)晶形轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變和玻璃化轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變溫度等。
礦物、無機(jī)鹽類以及有機(jī)化合物在高溫下會發(fā)生分解,將TDA、DSC和TG法聯(lián)用,可以對化合物熱分解反應(yīng)的溫度、產(chǎn)物、分解速率、反應(yīng)活化能和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行測定和分析。Freeman和Caroll于1958年提出了從熱重曲線求反應(yīng)級數(shù)和活化能的方法,后來,Sharp和Doyle等人也提出各自的處理方法。
熱分析很早就應(yīng)用于金屬學(xué)領(lǐng)域,用來測定金屬熔點(diǎn)等,現(xiàn)在,它已成為研究合金相圖的主要手段,用熱分析法除可獲得平衡相圖所需的各種數(shù)據(jù)(如步冷曲線)外,還可得到合金的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、判斷亞穩(wěn)相存在與否以及決定亞穩(wěn)相的溶解度曲線,
晶體的熔點(diǎn)是很敏銳的,當(dāng)晶體中摻有少量雜質(zhì)以后,其熔點(diǎn)范圍會明顯擴(kuò)大,使得DSC熱譜曲線上的相變吸熱峰的寬度和高度發(fā)生明顯的改變,利用這一特點(diǎn),用DSC法可鑒定化合物的純度,這種方法操作簡便,速度快,用量少,它已成為鑒定有機(jī)化合物較有效的方法。
熱滴定也稱為溫度滴定、熱焓滴定等,所采用的手段是滴定熱量計(jì)。化學(xué)分析所涉及的酸堿反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和配合反應(yīng)等,均伴隨有一定的熱效應(yīng),當(dāng)反應(yīng)一開始,便有熱量產(chǎn)生,當(dāng)反應(yīng)終止時(shí),熱效應(yīng)也隨著結(jié)束。滴定熱量計(jì)的感溫元件(熱效電阻)熱容很小,能對溫度的變化作出迅速響應(yīng),因而量熱滴定可用作化學(xué)分析的有效手段,并在冶金、煤炭、造紙、制藥和生物制品等工業(yè)方面得到應(yīng)用。有些化學(xué)反應(yīng)由于平衡常數(shù)的限制,在量熱滴定中反應(yīng)不能*進(jìn)行到底,這時(shí),從反應(yīng)的熱譜曲線中,不僅可獲得有關(guān)反應(yīng)焓的信息,還可得到有關(guān)熵變及反應(yīng)平衡常數(shù)的信息。
生物學(xué)應(yīng)用
生物體內(nèi)所發(fā)生的過程往往不但熱效應(yīng)小,而且非常緩慢,傳統(tǒng)熱量計(jì)對這類過程無法進(jìn)行監(jiān)測,熱導(dǎo)式微熱量計(jì)的出現(xiàn)和完善,使得對生物體內(nèi)的過程進(jìn)行量熱測定成為可能,它已用來對生物的活性進(jìn)行監(jiān)測。應(yīng)用熱導(dǎo)式微熱量計(jì)還可測定細(xì)菌等微生物的生長熱譜、細(xì)胞的代謝熱譜和種子發(fā)芽過程的能量變化。運(yùn)用熱動力學(xué)的方法,微量熱法可用于酶催化反應(yīng)的米氏常數(shù)和反應(yīng)焓的測定。
其他
應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的熱量計(jì)可測量激光束的能量,這種熱量計(jì)可以為熱導(dǎo)式或等溫外殼式熱量計(jì),具體的結(jié)構(gòu)形式也因接受能量的方式不同而采用不同的設(shè)計(jì)。激光束能量的大小由電能進(jìn)行標(biāo)定。
量熱法也可用于微波輻射能的測量,在核能工業(yè)領(lǐng)域,量熱法也得到應(yīng)用。熱量計(jì)不但可用來測定放射源的能量,通過測定放射源的輻射能可以確定放射元素的半衰期,用這種方法可以化驗(yàn)分析放射源中所含的放射元素。