Sabit Hacim Kalorimetrisi

Kalorimetreler, bir kimyasal reaksiyon tarafından açığa çıkan veya absorblanan ısıyı belirlemek için kullanılır. Kahve fincanı kalorimetreleri, sabit (atmosferik) basınçta çalışmak üzere tasarlanmıştır ve sabit basınçta çözelti içinde meydana gelen süreçlere eşlik eden ısı akışını (veya entalpi değişimini) ölçmek için kullanılır. Sabit hacimde çalışan ve halk arasında bomba kalorimetresi olarak bilinen farklı bir kalorimetre türü, yanma reaksiyonları gibi büyük miktarlarda ısı ve gaz açığa çıkaran reaksiyonlarla üretilen enerjiyi ölçmek için kullanılır. (“Bomba” terimi, bu reaksiyonların diğer kalorimetrelere zarar verecek patlamalara benzeyecek kadar güçlü olabileceği gözleminden gelir.) 

Termodinamiğin birinci yasası, bir reaksiyonun iç enerjisindeki (ΔE) değişimin, ısı (q) ve işin (w) toplamı olduğunu ileri sürer. 

Gaz reaksiyonlarda, yapılan iş basınç-hacim tipindedir, dolayısıyla reaksiyon hacminde değişikliklere neden olur. 

Bomba kalorimetreleri, reaksiyon hacminin değişmesine izin verilmeyecek şekilde sabit hacimde çalışmak üzere tasarlanmıştır (ΔV = 0). 

Bu nedenle, yapılan iş sıfırdır ve bir bomba kalorimetresi kullanılarak ölçülen ısı (q_v), reaksiyonun iç enerjisindeki değişime eşdeğerdir.

Bir bomba kalorimetresi, reaktanları içeren ve kendisi suya batırılmış sağlam bir çelik kaptan oluşur. Numune, daha sonra yüksek basınçta oksijenle doldurulan bombaya yerleştirilir. Numuneyi tutuşturmak için küçük bir elektrik kıvılcımı kullanılır. Reaksiyonun ürettiği enerji, çelik bomba ve çevresindeki su tarafından emilir. Sıcaklık artışı (ΔT) ölçülür ve kalorimetrenin (C_cal) bilinen ısı kapasitesi ile birlikte tüm kalorimetre tertibatı (q_cal) tarafından emilen ısıyı hesaplamak için kullanılır. 

Kalorimetre yalıtılmış olduğundan ve ortama ısı kaybı olmadığından, kalorimetrenin kazandığı ısı, reaksiyonun açığa çıkardığı ısıya eşittir.

Sabit hacim koşulları nedeniyle, reaksiyondan oluşan ısı, iç enerji değişimine karşılık gelir.

Bu, yanmaya uğrayan belirli miktarda reaktan için iç enerji değişimidir. Belirli bir reaktantın mol başına ΔErxn değeri, gerçekte reaksiyona girenlerin mol sayısına bölünmesiyle elde edilir.

Kalorimetrenin ısı kapasitesini belirlemek ve doğru sonuçlar elde etmek için bomba kalorimetreleri kalibrasyon gerektirir. Kalorimetreyi kalibre edebilmek için öncelikle yanma ısısı belli bir madde kullanılır. Bilinen reaksiyonun ürettiği sıcaklık değişimi, kalorimetrenin ısı kapasitesini belirlemek için kullanılır. Kalibrasyon genellikle, araştırma verilerini toplamak için kalorimetre kullanılmadan önce her seferinde gerçekleştirilir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 5.2: Calorimetry.