Kalorimetria on fysiikan haara, joka tutkii lämmönsiirtoa kappaleiden välillä ja sen vaikutuksia. Se on olennaista sellaisten prosessien kuin lämmitys, jäähdytys ja aineiden fysikaalisten olomuotojen muutokset ymmärtämiseksi. Lisäksi kalorimetrialla on useita käytännön sovelluksia, kuten jäähdytysjärjestelmien suunnittelussa, energiantuotannossa ja elintarviketeollisuudessa, jossa sitä käytetään elintarvikkeiden kaloriarvon määrittämiseen. Tässä yhteydessä kalorimetrian tutkimus on olennaista lämpöprosessien ymmärtämiseksi ja hallitsemiseksi eri tieteen ja teknologian aloilla.
Kalorimetrian käytännön sovellukset: missä ja miten voimme käyttää tätä tärkeää tekniikkaa.
Kalorimetria on tärkeä tekniikka, joka tutkii lämmönsiirtoa kappaleiden välillä ja sen vaikutuksia. Sillä on lukuisia käytännön sovelluksia eri aloilla, ja se on välttämätön lämpöprosessien ymmärtämiseksi ja hallitsemiseksi.
Yksi kalorimetrian tärkeimmistä sovelluksista on elintarviketeollisuus, jossa sitä käytetään elintarvikkeiden kalorien määrän määrittämiseen. Tämä on olennaista tasapainoisten ruokavalioiden kehittämisen ja tuotteiden laadun varmistamisen kannalta. Lisäksi kalorimetria on olennaista myös elintarvikkeiden säilönnän kannalta, sillä se auttaa lämpötilan hallinnassa varastoinnin ja kuljetuksen aikana.
Terveydenhuollossa kalorimetriaa käytetään useissa lääketieteellisissä toimenpiteissä, kuten potilaiden perusaineenvaihdunnan määrittämisessä. Tämä on tärkeää aineenvaihduntaan liittyvien sairauksien hoidossa ja sopivan ruokavalion määräämisessä. Lisäksi kalorimetriaa käytetään myös lääketieteellisissä laitteissa, kuten magneettikuvauksissa, niiden moitteettoman toiminnan varmistamiseksi.
Toinen tärkeä kalorimetrian sovellus on kemianteollisuus, jossa sitä käytetään kemiallisten reaktioiden ja valmistusprosessien seurantaan. Kalorimetrian avulla voimme määrittää reaktiossa mukana olevan lämmön määrän, mikä auttaa optimoimaan prosesseja ja vähentämään kustannuksia. Lisäksi kalorimetria on välttämätöntä myös turvallisuuden varmistamiseksi prosesseissa, joissa on mukana korkeita lämpötiloja.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kalorimetria on perustavanlaatuinen tekniikka, jolla on lukuisia käytännön sovelluksia eri aloilla. Se edistää uusien tuotteiden kehittämistä, terveyden ylläpitämistä ja turvallisuuden varmistamista teollisissa prosesseissa. Siksi kalorimetrian käsitteiden ymmärtäminen ja soveltaminen on olennaista tehokkuuden ja laadun varmistamiseksi erilaisissa päivittäisissä toiminnoissa.
Ymmärrä kalorimetrian käsite ja sen tutkimusalue lämpöfysiikassa.
A kalorimetria on lämpöfysiikan haara, joka tutkii fysikaalisissa ja kemiallisissa prosesseissa tapahtuvaa lämmön määrää. Se vastaa lämpötilan vaihteluiden mittaamisesta ja vuorovaikuttavien kappaleiden välillä siirtyvän lämmön määrän laskemisesta.
Na kalorimetriaKäytämme lämmönvaihdon mittaamiseen instrumentteja, kuten kalorimetrejä. Nämä laitteet koostuvat materiaaleista, joiden lämpökapasiteetti tunnetaan, minkä ansiosta voimme laskea tietyssä prosessissa mukana olevan lämmön määrän.
Lisäksi kalorimetria tutkii materiaalien lämpöominaisuuksia, kuten lämmönjohtavuutta ja ominaislämpökapasiteettia, jotka ovat olennaisia ymmärrettäessä, miten kehot reagoivat lämpötilan vaihteluihin.
Sovellukset kalorimetria ovat laajoja ja kattavat useita aloja teollisuudesta lääketieteeseen. Esimerkiksi teollisuudessa se on välttämätöntä sellaisten tuotantoprosessien ohjaamiseksi, joihin liittyy eksotermisiä tai endotermisiä kemiallisia reaktioita. Lääketieteessä kalorimetria käytetään diagnosoimaan ja seuraamaan sairauksia, jotka aiheuttavat ruumiinlämmön muutoksia.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kalorimetria Se on olennainen työkalu lämmönvaihdon ja lämpötilavaihteluiden ymmärtämiseen mitä erilaisimmissa prosesseissa, ja se edistää tieteen edistymistä ja uusien teknologioiden kehittämistä.
Kalorimetrian sovellusalueet tieteen ja tekniikan eri aloilla.
Kalorimetria on fysiikan haara, joka tutkii lämmönsiirtoa järjestelmien välillä ja sen seurauksia. Sillä on lukuisia sovelluksia eri tieteen ja tekniikan aloilla, ja se on välttämätöntä uusien teknologioiden ja prosessien kehittämiselle.
Yksi kalorimetrian tärkeimmistä sovelluksista on teollisuus, jossa sitä käytetään kemiallisissa reaktioissa ja valmistusprosesseissa syntyvän lämmön määrän mittaamiseen. Tämä mahdollistaa energiatehokkuuden optimoinnin ja tuotteen laadun varmistamisen. Lisäksi kalorimetria on välttämätöntä uusien, erityisiä lämpöominaisuuksia omaavien materiaalien kehittämisessä.
Lääketieteessä kalorimetriaa käytetään ihmisen aineenvaihdunnan tutkimiseen ja kehon lämpöepätasapainoon liittyvien sairauksien diagnosointiin. Sitä käytetään myös lämpökäsittelyjen tutkimuksessa ja lääketieteellisten laitteiden kehittämisessä.
Akateemisessa tutkimuksessa kalorimetriaa käytetään tutkimaan lämpöilmiöitä erilaisissa systeemeissä, kuten materiaaleissa, nesteissä ja kemiallisissa yhdisteissä. Se on olennaista materiaalien lämpöominaisuuksien ymmärtämiseksi ja edistää tieteellisen tiedon kehittymistä.
Tekniikassa kalorimetriaa käytetään jäähdytys-, lämmitys- ja lämmöneristysjärjestelmien suunnitteluun, mikä varmistaa koneiden ja laitteiden moitteettoman toiminnan. Sitä käytetään myös uusien kestävien teknologioiden kehittämisessä, joilla pyritään vähentämään energiankulutusta ja minimoimaan ympäristövaikutukset.
Lyhyesti sanottuna kalorimetria on perustavanlaatuinen työkalu useilla tieteen ja tekniikan aloilla, ja se edistää lämpöprosessien ymmärtämistä sekä uusien teknologioiden ja sovellusten kehittämistä. Sen tutkiminen ja soveltaminen ovat välttämättömiä yhteiskunnan edistymiselle ja innovatiivisten ratkaisujen etsimiselle nykymaailman haasteisiin.
Kalorimetrian perusperiaatteet: opi mittaamaan ja laskemaan lämpöenergiaa.
Kalorimetria on fysiikan haara, joka tutkii lämpöenergian vaihtoa kappaleiden välillä. Tämän energian mittaamiseksi ja laskemiseksi on tärkeää ymmärtää joitakin kalorimetrian perusperiaatteita.
Yksi perusperiaatteista on energian säilymislaki, jonka mukaan eristetyn järjestelmän kokonaisenergia pysyy vakiona ajan kuluessa. Tämä tarkoittaa, että yhden kappaleen lämmönvaihtoprosessissa menettämä lämpöenergia on yhtä suuri kuin toisen kappaleen lämmönvaihtoprosessissa vastaanottama lämpöenergia.
Toinen tärkeä periaate on lämpökapasiteetti, joka kuvaa lämmön määrää, joka tarvitaan kehon lämpötilan nostamiseksi yhdellä lämpötilayksiköllä. Lämpökapasiteetti on kullekin materiaalille ominainen ominaisuus, ja sitä voidaan käyttää lämpöprosessiin liittyvän lämmön määrän laskemiseen.
Prosessiin liittyvän lämpöenergian mittaamiseen käytämme kalorimetriksi kutsuttua laitetta. Kalorimetri on laite, joka eristää järjestelmän ulkoisesta ympäristöstä ja mittaa tarkasti lämmönvaihtoa kappaleiden välillä.
Lämpöenergian laskemiseksi käytämme kaavaa Q = mcΔT, jossa Q edustaa lämmön määrää, m edustaa kappaleen massaa, c edustaa lämpökapasiteettia ja ΔT edustaa lämpötilan muutosta. Tämän kaavan avulla voimme määrittää prosessiin liittyvän lämpöenergian määrän ja suorittaa erilaisia kalorimetriaan liittyviä laskelmia.
Kalorimetrialla on useita käytännön sovelluksia, kuten teollisten prosessien tutkiminen, materiaalien lämpökapasiteettien määrittäminen ja lämmönvaihdon laskeminen monimutkaisissa järjestelmissä. Ymmärtämällä kalorimetrian perusperiaatteet on mahdollista ymmärtää ja analysoida tarkasti lämpöenergian vaihtoa erilaisissa yhteyksissä.
Kalorimetria: mitä tutkitaan ja sovellukset
A kalorimetria on tekniikka, jolla määritetään kemialliseen tai fysikaaliseen prosessiin liittyvän järjestelmän kaloripitoisuuden muutoksia. Se perustuu lämpötilan muutosten mittaamiseen, kun järjestelmä absorboi tai vapauttaa lämpöä. Kalorimetri on laite, jota käytetään lämmönvaihtoon liittyvissä reaktioissa.
"Kahvikuppina" tunnettu laite on tämän tyyppisen laitteen yksinkertaisin muoto. Se mittaa vesiliuoksessa vakiopaineessa suoritettavissa reaktioissa syntyvän lämmön määrän. Kahvikuppikalorimetri koostuu kuppiin asetettavasta polystyreeniastiasta.
Vesi kaadetaan polystyreeniastiaan, jossa on lämmöneristyksen takaava polystyreenikansi. Astiassa on myös lämpömittari ja mekaaninen sekoitin.
Tämä kalorimetri mittaa absorboituneen tai vapautuneen lämmön määrän vesiliuoksessa tapahtuvan reaktion aikana riippuen siitä, onko reaktio endoterminen vai eksoterminen. Tutkittava systeemi koostuu reagoivista aineista ja tuotteista.
Mitä kalorimetrialla tutkitaan?
Kalorimetria tutkii kemialliseen reaktioon liittyvän lämpöenergian ja sen muuttujien määrittämiseen käytetyn energian välistä suhdetta. Sen tutkimussovellukset oikeuttavat näiden menetelmien laajuuden.
Kalorimetrin kalorikapasiteetti
Tämä kapasiteetti lasketaan jakamalla kalorimetrin absorboima lämpömäärä lämpötilan muutoksella. Tämä muutos on eksotermisen reaktion vapauttaman lämmön tulo, joka on yhtä kuin:
Kalorimetrin absorboima lämpömäärä + liuoksen absorboima lämpömäärä
Muutos voidaan määrittää lisäämällä tunnettu määrä lämpöä ja mittaamalla lämpötilan muutos. Lämpökapasiteetin määrittämiseen käytetään tyypillisesti bentsoehappoa, koska sen palamislämpö tunnetaan (3.227 kJ/mol).
Lämpökapasiteetti voidaan määrittää myös lisäämällä lämpöä sähkövirran avulla.
Esimerkki kalorimetrin käyttäminen ominaislämmön laskemiseen
95 g:n metallitanko kuumennetaan 400 °C:seen ja asetetaan välittömästi kalorimetriin, joka sisältää 500 g vettä, aluksi 20 °C:ssa. Systeemin lopullinen lämpötila on 24 °C. Laske metallin ominaislämpökapasiteetti.
Δq = mx ce x Δt
Tässä lausekkeessa:
Δq = kuormituksen vaihtelu.
m = massa
ce = ominaislämpö.
Δt = lämpötilan vaihtelu.
Veden vastaanottama lämpö on yhtä suuri kuin metallitangon vapauttama lämpö.
Tämä arvo on samanlainen kuin hopean erityisessä lämpötaulukossa esitetty arvo (234 J/kg °C).
Yksi kalorimetrian sovelluksista on siis yhteistyö materiaalien tunnistamisessa.
Kalorimetrinen pommi
Se koostuu terässäiliöstä, joka tunnetaan pommina ja kestää säiliössä tapahtuvien reaktioiden aikana mahdollisesti syntyviä korkeita paineita; Tämä säiliö on kytketty sytytyspiiriin reaktioiden käynnistämiseksi.
Pommi upotetaan suureen vesisäiliöön, joka absorboi pommissa reaktioiden aikana syntyvän lämmön ja vähentää lämpötilan vaihteluita. Vesisäiliö on varustettu lämpömittarilla ja mekaanisella sekoittimella.
Energianmuutokset mitataan käytännössä vakiotilavuudessa ja -lämpötilassa, joten pommissa tapahtuviin reaktioihin ei tehdä työtä.
ΔE = q
ΔE on reaktion sisäisen energian ja siinä syntyvän lämmön vaihtelu.
Kalorimetrin tyypit
Isoterminen titrauskalorimetri (ITC)
Kalorimetrissä on kaksi kyvettiä: toiseen asetetaan näyte ja toiseen, referenssikyvettiä, yleensä vettä.
Näytekennossa tapahtuvan reaktion aiheuttama lämpötilaero kennojen välille kumoutuu takaisinkytkentäjärjestelmällä, joka ruiskuttaa lämpöä kennojen lämpötilojen tasaamiseksi.
Tämän tyyppinen kalorimetri mahdollistaa makromolekyylien ja niiden ligandien välisen vuorovaikutuksen seurannan.
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetri
Tässä kalorimetrissä on kaksi kennoa, kuten CTI:ssä, mutta siinä on laite, jonka avulla voidaan määrittää materiaalin muutoksiin liittyvät lämpötila- ja lämpövuot ajan funktiona.
Tämä tekniikka tarjoaa tietoa proteiinien ja nukleiinihappojen laskostumisesta sekä niiden stabiloinnista.
sovellukset
-Kalorimetria antaa meille mahdollisuuden määrittää kemiallisessa reaktiossa tapahtuvan lämmönvaihdon, mikä auttaa meitä ymmärtämään sen mekanismia selkeämmin.
– Materiaalin ominaislämpöarvoa määritettäessä kalorimetria tarjoaa tietoja, jotka auttavat sen tunnistamisessa.
-Koska reaktion lämmönmuutoksen ja reagoivien aineiden pitoisuuden välillä on suora verrannollisuus, ja koska kalorimetria ei vaadi kirkkaita näytteitä, tätä tekniikkaa voidaan käyttää monimutkaisissa matriiseissa olevien aineiden pitoisuuden määrittämiseen.
-Kemiantekniikan alalla kalorimetriaa käytetään prosessiturvallisuuden lisäksi myös prosessien optimoinnin, kemiallisten reaktioiden ja operatiivisen yksikön eri aloilla.
Isotermisen titrauskalorimetrian käyttötarkoitukset
-Se auttaa selvittämään entsyymien toimintamekanismin ja kinetiikan. Tällä tekniikalla voidaan mitata molekyylien välisiä reaktioita, määrittää sitoutumisaffiniteetti, stoikiometria, entalpia ja entropia liuoksessa ilman markkereita.
-Se arvioi nanopartikkelien vuorovaikutusta proteiinien kanssa ja on yhdessä muiden analyyttisten menetelmien kanssa tärkeä työkalu proteiinien konformaatiomuutosten tallentamiseen.
-Sillä on sovelluksia elintarvikkeissa ja sadon säilömisessä.
- Elintarvikkeiden säilönnän osalta se voi määrittää pilaantumisen ja säilyvyyden (mikrobiologisen aktiivisuuden). Se voi vertailla eri elintarvikkeiden säilöntämenetelmien tehokkuutta ja määrittää säilöntäaineiden ihanteellisen annostuksen sekä seurata pakkausten hajoamista.
- Vihanneskasvien kohdalla voit tutkia siementen itämistä. Vedessä ja hapen läsnä ollessa siemenet vapauttavat lämpöä, joka voidaan mitata isotermisellä kalorimetrillä. Tutki siementen ikää ja virheellistä varastointia sekä niiden kasvunopeutta, kun ne altistuvat lämpötilan, pH:n tai eri kemikaalien vaihteluille.
-Lopuksi, voit mitata maaperän biologista aktiivisuutta. Se voi myös havaita sairauksia.
Differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian käyttö
– Yhdessä isotermisen kalorimetrian kanssa se mahdollisti proteiinien ja niiden ligandien välisen vuorovaikutuksen, allosteerisen vuorovaikutuksen, proteiinien laskostumisen ja niiden stabilointimekanismin tutkimisen.
-Voit mitata suoraan molekyylisidostapahtuman aikana vapautuvan tai absorboituneen lämmön.
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria on termodynaaminen työkalu näytteeseen kerätyn kalorienergian suoraan määrittämiseen. Tämä mahdollistaa proteiinimolekyylin stabiilisuuteen liittyvien tekijöiden analysoinnin.
-Se tutkii myös nukleiinihappojen laskostumissiirtymien termodynamiikkaa. Tekniikka mahdollistaa linolihapon oksidatiivisen stabiilisuuden määrittämisen sekä eristettynä että muihin lipideihin kytkettynä.
-Tekniikkaa sovelletaan farmaseuttisten nanokiinteiden aineiden kvantifiointiin ja nanorakenteisten lipidikantajien lämpökarakterisointiin.
Viitteet
- Whitten, K., Davis, R., Peck, M. ja Stanley, G. Kemia . (2008). 8. painos. Cengage Learning, toimittaja.
- Rehak, N.N. ja Young, D.S. (1978). Kalorimetrian mahdolliset sovellukset kliinisessä laboratoriossa. Klinikka. Kemia. 24 (8): 1414-1419.
- Stossel, F. (1997). Reaktiokalorimetrian sovellukset kemiantekniikassa J. Therm. Anal. 49 (3): 1677–1688.
- Weber, PC ja Salemme, FR (2003). Kalorimetristen menetelmien sovellukset lääkekehityksessä ja proteiinivuorovaikutusten tutkimuksessa Nykyinen mielipidekirjoitus. Rakenne. Biol. 13 (1): 115–121.
- Gill, P., Moghadem, T. ja Ranjbar, B. (2010).Differentiaaliset pyyhkäisykalorimetriset tekniikat: sovelluksia biologiassa ja nanotieteessä J. Biol. Tech. 21 (4): 167–193.
- Omanovic-Miklicanin, E., Manfield, I. ja Wilkins, T. (2017). Isotermisen titrauskalorimetrian sovellukset proteiini-nanopartikkelivuorovaikutusten arvioinnissa J. Therm. Anal. 127: 605–613.
- Community College Consortium for Bioscience Credentials. (7. heinäkuuta 2014). Kahvikupin kalorimetri. [Kuva]. Haettu 7. kesäkuuta 2018 osoitteesta: commons.wikimedia.org