مفاهیم و اساس کار سامانه آدیاباتیک،دیاترمیک، گرماسنج بمبی و گرماسنج لیوانی

 

برای اندازه گیری گرمای واکنش های شیمیایی در آزمایشگاه از دو نوع گرماسنج استفاده می شود.

الف - گرماسنج لیوانی 

گرماسنج بمبی

در گرماسنج لیوانی که برای اندازه گیری گرمای واکنش های شیمیایی در فشار ثابت  یا اندازه گیریΔH واکنش است یک ظرف به شکل لیوان استفاده میشود که در آن واکنش های شیمیایی فاز محلول یا مایع که با افزایش یا کاهش حجم همراه نیستند انجام می شود.ومقدار گرما از طرق افزایش یا کاهش دمای  آب درون لیوان اندازه گیری میشود .برای جلوگیری از هدر رفتن گرما از طرق جداره های گرماسنج سطوح خارجی لیوان را عایق کاری میکنند .از اینرو چون این گرماسنج ها هم فشار محیط بوده وعایق کاری هم شده اند آنها را گرماسنج آدیاباتیکی می گویند.( شکل سمت چپ(

در گرماسنج بمبی که برای اندازه گیری گرمای واکنشهای سوختن و واکنشهایی که با آزاد شدن گاز همراه است به کار میرود ودر این صورت حجم سامانه ئثابت بوده و از اینرو گرمای واکنش در حجم ثابت یعنی ΔE اندازه گیری می شود.بمب از جنس فولاد است ودر آن ماده مورد نظر برای سوختن به همراه مقدار زیادی اکسیژن خالص تحت فشار تا 30 اتمسفر وارد میکنند تا مطمئن باشند اکسیژن به مقدار کافی برای سوختن کامل ماده سوختنی در بمب موجود است.سپس بمب را درون یک ظرف آب که پشت ظرف را کاملا عایق بندی کرده اند میگذارند و با یک جرقه زن که در بمب تعبیه شده واکنش را شروع میکنند.و گرمای آزاد شده را به کمک دماسنج اندازه گرفته و به کمک محاسبات ریاضی و دانستن ظرفیت گرمایی گرماسنج که قبلا توسط یک آزمایش استاندارد که گرمای سوختن معینی دارد مثلا سوختن بنزوییک اسید بدست آمده است، محاسبه میکنند. 

اگر چه انتظار ما این است که چون سیستم گرماسنج بمبی بسته است و فرض بر این است که عایق نیز 100% جلو هدر رفتن گرما را می گیرد می توانیم  سامانه ایزوله داشته باشیم .(ولی در آزمایشگاه شیمی  ایزوله بودن سامانه غیر ممکن است و در اغلب موارد این سامانه نیز در حکم آدیاباتیک است(

در سامانه آدیاباتیک گرما مبادله نمی شود، یعنی تاکید بر عدم مبادله گرما است.

درسیستم دیاترمیک گرما می تواند عبور کند اما فرصت مبادله ی گرما با محیط را ندارد. در نتیجه در ساخت برف مصنوعی یک سامانه ی مایع داریم که بر اثر فشار ناگهانی منبسط می شودو آب به بخار تبدیل می گردد چون بر اثر انبساط  سامانه کار انجام می دهد  و این انبساط سریع وناگهانی است وفرصت انتقال گرما از محیط به سامانه فراهم نمی باشد (این سامانه را نیز می توان آدیاباتیک فرض کرد )ودر نتیجه انرژی لازم برای انجام کار از انرژی درونی مولکول های آب و بخار آب گرفته می شود و دما ناگهان کاهش و برف مصنوعی بوجود می آید.

 بمب فولادی بسته و گرماسنج بمبی در مجموع ایزوله است. در برف مصنوعی سامانه مرز مجازی دارد. برف مصنوعی سامانه باز وادیاباتیک است مبادله گرما کم علت ادیاباتیک بودن سرعت زیاد انبساط است.

برای ایزوله کردن باید سامانه را بسته و عایق نگه داشت و همچنین از مبادله گرما جلوگیری کرد. گرماسنج بمبی طوری ساخته شده است که عایق بندی کاملی برای آن صورت می گیرد و بنا به جمله ی کتاب می توان فرض کرد که هیچ گرمایی از درون گرماسنج به محیط اطراف منتقل نمی شود. بنابراین فرض می توان گرماسنج بمبی را یک سامانه ی ایزوله به حساب آورد.

یک راه آدیاباتیک کردن سامانه بدون کمک گرفتن از عایق آنست که سامانه را در یک حمام بزرگ آب قرا بدهیم از اینرو اختلاف دمای آب گرماسنج با آب حمام ناچیز می شود و با دمای محیط برابر  می گردد. در این حالت گرما به محیط منتقل نمی شود و گرماسنج کاملا عایق است.

گرماسنج لیوانی به فرض آنکه  ماده ای با محیط مبادله نکند تقریبا منزوی است.  

گرماسنج باید تا حد ممکن اتلاف گرما نداشته باشد. در غیر این صورت گرمای اندازه گیری شده قابل قبول نیست. پس می توان گفت مثل فلاسک چای و با شرط عایق بندی تقریباً منزوی می شود.

 

برای تعیین گرمای واکنش یا فرایند انحلال از گرماسنج های ادیاباتیک استفاده می کنند یعنی از ظرفی استفاده می کنند که در وزن مشخصی اب فرو برده شده است و ان را یک پوشش عایق احاطه کرده که آن را در دمای یکسان با گرماسنج نگه می دارند به طوری که هیچ گرمایی جذب یا دفع نشود بنابراین تغییر گرمای این فرایند ادیاباتیک صفر است.

در گرماسنج بمبی کار انبساطی انجام نمی شود بنابراین تغییر انرژی داخلی برابر گرماست .

 در مورد سامانه ها هم هر سامانه منزوی الزاما بایدبسته باشد اما یک سامانه بی در رو یا ادیاباتیک الزاما بسته نیست ودر نتیجه اگر فشار ثابت باشد چون مبادله گرما برابر صفر است پس سامانه باتغییر حجم می تواند کار انجام دهد و تغییرات انرژی درونی آن هم برابر کارانجام شده  است.

 

اما در فرایندهای هم دما تغییر انرژی درونی یا  ΔE برابربا صفر است و  کار و گرما همیشه از نظر علامت برعکس و از نظر مقدار با هم برابر هستند .

فرایند هم حجم و هم فشار  که مثال آن لیوان های پلاستیکی است که کتاب به عنوان گرماسنج لیوانی معرفی کرده است. گرماسنج های لیوانی که در کتاب ذکر شده سامانه های باز هستند و نمی توانند ادیاباتیک هم باشند مگر به صورتی فرضی البته گرماسنج های لیوانی برای واکنش هایی که تولید گاز نمی کنند اگر کاملا عایق بندی شوند را می توان به صورت ادیاباتیک دانست.