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量熱計

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量熱計，或稱熱量計、卡計，是一種用於測量進行熱量測定的實驗設備，可以用於測量化學反應、物理變化過程的熱量變化，或測定材料的熱容。最常見的是差示掃描量熱計、恆温微卡計、滴定量熱計及加速量熱儀等。最簡單的熱量計是在燃燒室上面放一個金屬容器，其中裝有水及一支温度計。
若要量測物質A和物質B反應時，每摩爾的焓變化，可以將物質放到量熱計中，記錄其反應前的初温及反應後的末温，將物質質量乘以温度差及其比熱，即可算出所吸收的熱量，再除以摩爾數即為反應中的焓變化。此方法主要用在學校教授量熱法時示範用，此方法沒有考慮容器散失的熱，以及温度計及容器本身的熱容。
中文名
量熱計
外文名
calorimeter
別    名
量熱儀
別    名
量熱器或者卡計
外筒作用
主要起到保温作用
內    筒
直接充當反應容器
温度計
用來測量反應的温度變化

目錄

  1. 1 設備介紹
  2. 2 歷史
  3. 3 分類
  1. ▪ 絕熱量熱器
  2. ▪ 反應量熱計
  3. ▪ 炸彈型
  4. ▪ Calvet型
  1. ▪ 差示掃描
  2. ▪ 等温滴定

量熱計設備介紹

量熱計 量熱計
熱量計是用於對象量熱法，或測量的熱的過程中的化學反應或物理變化，以及熱容量。差示掃描量熱儀，等温微量熱儀，滴定量熱儀和加速量熱儀是最常見的類型之一。一個簡單的量熱計就是由一個温度計組成，該温度計安裝在一個懸浮在燃燒室上方的充滿水的金屬容器中。它是熱力學，化學和生物化學研究中使用的測量裝置之一。
為了找出兩種物質A和B之間反應中每摩爾物質A 的焓變，將這些物質加入到量熱計中，記錄初始和最終温度（反應開始之前和結束之後）。將温度變化乘以物質的質量和比熱容給出反應過程中釋放或吸收的能量的值。將能量變化除以A有多少摩爾A給出了其反應的焓變。 [1] 

量熱計歷史

1780年，安託萬·洛朗德·拉瓦錫（法國化學家）用這種裝置測量一隻豚鼠的發熱量。來自豚鼠呼吸的熱量融化了熱量計周圍的雪，表明呼吸是一種燃燒，類似於燃燒蠟燭。他將實驗用的這種裝置命名為熱量計。 [1] 

量熱計分類

量熱計絕熱量熱器

一個絕熱熱量計是用來檢查失控反應量熱計。由於量熱儀在絕熱環境中運行，因此受試材料樣品產生的熱量會導致樣品温度升高，從而加速反應。
沒有絕熱量熱器是完全絕熱的，一些熱量會被樣品丟到樣品架上。phi因子（一種數學校正因子）可用於調整量熱結果以考慮這些熱損失。披因子是之比熱質量的樣品和樣品保持器的單獨樣品的熱質量。

量熱計反應量熱計

反應量熱計是在密閉的絕熱容器內開始化學反應的量熱計。測量反應熱，並通過積分熱流與時間獲得總熱量。這是工業上用於測量加熱的標準，因為工業過程設計為在恆定温度下運行。反應量熱也可用於確定化學過程工程的最大熱釋放速率以及跟蹤反應的總體動力學。
測量反應量熱器中的熱量有四種主要方法：
  1. 熱流量量熱儀：冷卻/加熱夾套控制過程的温度或夾套的温度。通過監測傳熱流體和過程流體之間的温差來測量熱量。另外，必須確定填充體積（即濕潤面積），比熱，傳熱係數以達到正確的值。這種類型的熱量計可以在迴流條件下進行反應，精度不是很好。
  2. 熱平衡量熱儀：冷卻/加熱夾套控制過程的温度。通過監測傳熱流體所獲得或損失的熱量來測量熱量。
  3. 功率補償：功率補償使用放置在容器內的加熱器來保持恆定的温度。供應給該加熱器的能量可以根據反應的需要而變化，並且量熱信號純粹來源於該電力。
  4. 恆定通量：恆定流量熱量測定法（或稱為COFLUX）是從熱量平衡量熱法得出的，並使用專門的控制機制來保持穿過血管壁的恆定熱流（或流量）。 [2] 

量熱計炸彈型

炸彈量熱計是用於測量特定反應的燃燒熱量的一種恆定量熱量計。在測量反應時，炸彈量熱儀必須承受量熱儀內的巨大壓力。電能被用來點燃燃料; 當燃料燃燒時，它將加熱周圍的空氣，空氣膨脹並通過導管將空氣引出量熱計。當空氣通過銅管逸出時，也會加熱管外的水。水温的變化允許計算燃料的卡路里含量。 [3] 

量熱計Calvet型

該檢測基於三維流量計傳感器。流量計元件由幾個串聯的熱電偶環組成。相應的熱導率高的熱電堆圍繞量熱塊內的實驗空間。熱電堆的徑向排列保證了熱量的幾乎完全的整合。這通過計算效率比來驗證，這表明在Calvet型熱量計的整個温度範圍內，通過傳感器的熱量的平均值為94%±1%。在此設置中，量熱儀的靈敏度不受坩堝，淨化氣體類型或流量的影響。設置的主要優點是實驗容器尺寸的增加以及因此樣品的尺寸，量熱探測器的校準是一個關鍵參數，必須非常謹慎地執行。對於Calvet型熱量計，已經開發了特定的校準（所謂的焦耳效應或電校準）以克服用標準材料進行校準所遇到的所有問題。 [4] 

量熱計差示掃描

在差示掃描量熱儀（DSC）中，通常將包含在小鋁囊或“鍋”中的樣品中的熱量流量差異地進行測量，即將其與流入空的參考鍋中的流量進行比較。
在熱通量 DSC中，兩個平底鍋坐在已知（校準的）耐熱性K的材料的小塊上。量熱儀的温度隨時間線性增加（掃描），即加熱速率dT/dt =β保持不變。這次線性需要良好的設計和良好的（電腦化）温度控制。當然，控制冷卻和等温實驗也是可能的。
熱量通過傳導流入兩個平底鍋。由於其熱容量 Cp，熱量進入樣品的流量較大。流量差dq/dt引起板坯兩端的小温差ΔT。這個温度差是使用熱電偶測量的。原則上可以從這個信號確定熱容量。 [5] 

量熱計等温滴定

在等温滴定熱量計中，使用反應熱來進行滴定實驗。這允許確定反應的中點（化學計量）（N）以及其焓（ΔH），熵（ΔS）並且主要考慮結合親和力（Ka）
該技術尤其在生物化學領域具有重要意義，因為它有助於確定底物與酶的結合。該技術通常用於製藥行業以表徵潛在的候選藥物。 [5] 
參考資料
  • 1.    Antoine Laurent Lavoisier, Elements of Chemistry: In a New Systematic Order; Containing All the Modern Discoveries, 1789: "I acknowledge the name of Calorimeter, which I have given it, as derived partly from Greek and partly from Latin, is in some degree open to criticism; but in matters of science, a slight deviation from strict etymology, for the sake of giving distinctness of idea, is excusable; and I could not derive the name entirely from Greek without approaching too near to the names of known instruments employed for other purposes."
  • 2.    Buchholz, Andrea C; Schoeller, Dale A. (2004). "Is a Calorie a Calorie?". American Journal of Clinical Nutrition. 79 (5): 899S–906S.
  • 3.    Polik, W. (1997). Bomb Calorimetery.   ．chem[引用日期2017-11-29]
  • 4.    Bozzelli, J. (2010). Heat of Combustion via Calorimetry: Detailed Procedures. Chem 339-Physical Chemistry Lab for Chemical Engineers –Lab Manual.
  • 5.    Bech, N., Jensen, P. A., & Dam-Johansen, K. (2009). Determining the elemental composition of fuels by bomb calorimetry and the inverse correlation of HHV with elemental composition. Biomass & Bioenergy, 33(3), 534-537.