การศึกษาความร้อนและการประยุกต์

calorimetry มันเป็นเทคนิคที่กำหนดการเปลี่ยนแปลงเนื้อหาแคลอรี่ของระบบที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีหรือทางกายภาพ มันขึ้นอยู่กับการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเมื่อระบบดูดซับหรือปล่อยความร้อน เครื่องวัดความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในปฏิกิริยาที่เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อน.

สิ่งที่เรียกว่า "ถ้วยกาแฟ" เป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของอุปกรณ์ประเภทนี้ โดยการใช้งานจะทำการวัดปริมาณความร้อนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ในสารละลายที่เป็นน้ำ เครื่องวัดความร้อนกาแฟประเภทถ้วยประกอบด้วยภาชนะสไตรีนซึ่งวางอยู่ในบีกเกอร์.

น้ำถูกวางในภาชนะสไตรีนพร้อมกับฝาปิดของวัสดุเดียวกันที่ให้ฉนวนกันความร้อนในระดับหนึ่ง นอกจากนี้ภาชนะยังมีเครื่องวัดอุณหภูมิและเครื่องกวนทางกล.

เครื่องวัดความร้อนนี้วัดปริมาณของความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาโดยขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนหรือความร้อนเมื่อมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ ระบบที่จะศึกษาประกอบด้วยรีเอเจนต์และผลิตภัณฑ์.

ดัชนี

• 1 เขาศึกษาอะไร?
• 2 ความจุแคลอรี่ของเครื่องวัดความร้อน
  • 2.1 ตัวอย่างการใช้เครื่องวัดความร้อนเพื่อคำนวณค่าความร้อนจำเพาะ
• 3 ปั๊มความร้อน
• 4 ประเภทของความร้อน
  • 4.1 Calorimeter สำหรับการไตเตรทแบบ Isothermal (CTI)
  • 4.2 แคลอรี่เครื่องวัดความแตกต่าง
• 5 การใช้งาน
  • 5.1 การใช้ Calorimetry สำหรับการไตเตรทแบบ isothermal
  • 5.2 การใช้ความร้อนในการสแกนเชิงอนุพันธ์
• 6 อ้างอิง

เขาเรียนอะไร?

Calorimetry ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีและวิธีการที่จะใช้ในการกำหนดตัวแปรที่เหมือนกัน การใช้งานในด้านการวิจัยปรับขอบเขตของวิธีการเหล่านี้.

ความจุแคลอรี่ของเครื่องวัดความร้อน

ความสามารถนี้คำนวณโดยการหารปริมาณความร้อนที่ดูดกลืนโดยเครื่องวัดความร้อนด้วยการแปรผันของอุณหภูมิ รูปแบบนี้เป็นผลิตภัณฑ์ของความร้อนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาคายความร้อนซึ่งเท่ากับ:

ปริมาณความร้อนที่ดูดกลืนโดยเครื่องวัดความร้อน + ปริมาณความร้อนที่ดูดซับโดยสารละลาย

รูปแบบที่สามารถกำหนดได้โดยการเพิ่มปริมาณความร้อนที่รู้จักกันโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับการหาค่าความจุแคลอริกนี้มักใช้กรดเบนโซอิกเนื่องจากความร้อนของการเผาไหม้เป็นที่รู้จัก (3,227 kJ / mol).

คุณสามารถกำหนดความจุแคลอรี่ได้โดยการเพิ่มความร้อนผ่านกระแสไฟฟ้า.

ตัวอย่าง ของการใช้เครื่องวัดความร้อนเพื่อคำนวณความร้อนเฉพาะ

แท่งเหล็ก 95 กรัมถูกทำให้ร้อนถึง 400 ° C และรับความร้อนได้ทันทีโดยใช้น้ำ 500 กรัมเริ่มต้นที่ 20 ° C อุณหภูมิสุดท้ายของระบบคือ24ºC คำนวณความร้อนเฉพาะของโลหะ.

Δq = m x ce x Δt

ในการแสดงออกนี้:

Δq = การเปลี่ยนแปลงโหลด.

m = มวล.

ce = ความร้อนจำเพาะ.

Δt = ความแปรปรวนของอุณหภูมิ.

ความร้อนที่ได้จากน้ำนั้นเท่ากับความร้อนที่ปล่อยออกมาจากแท่งโลหะ.

ค่านี้คล้ายกับที่ปรากฏในตารางความร้อนเฉพาะสำหรับเงิน (234 J / kg ºC).

ดังนั้นหนึ่งในการประยุกต์ใช้ความร้อนก็คือความร่วมมือในการระบุวัสดุ.

ปั๊มความร้อน

ประกอบด้วยภาชนะเหล็กหรือที่เรียกว่าปั๊มทนต่อแรงดันสูงที่อาจเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในภาชนะนี้ ภาชนะนี้เชื่อมต่อกับวงจรจุดระเบิดเพื่อเริ่มปฏิกิริยา.

เครื่องสูบน้ำจะถูกจุ่มในภาชนะขนาดใหญ่ที่มีน้ำซึ่งมีหน้าที่ในการดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นในเครื่องสูบน้ำในระหว่างการทำปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีขนาดเล็ก ภาชนะบรรจุน้ำประกอบด้วยเทอร์โมมิเตอร์และเครื่องกวนเชิงกล.

การเปลี่ยนแปลงพลังงานถูกวัดที่ปริมาตรและอุณหภูมิคงที่ดังนั้นจึงไม่ทำงานกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในปั๊ม.

ΔE = q

ΔEคือการแปรผันของพลังงานภายในในปฏิกิริยาและความร้อนที่เกิดขึ้นจากสิ่งนี้.

ประเภทของเครื่องวัดความร้อน

เครื่องวัดค่าความร้อนด้วยความร้อนด้วยอุณหภูมิ (CTI)

แคลอรี่มีสองเซลล์: ในตัวอย่างหนึ่งจะถูกวางไว้และในอีกอันหนึ่งโดยปกติแล้วจะมีน้ำอ้างอิง.

ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างเซลล์ - เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ของตัวอย่าง - ถูกยกเลิกโดยระบบป้อนกลับที่ส่งความร้อนเพื่อให้อุณหภูมิของเซลล์เท่ากัน.

เครื่องวัดค่าความร้อนชนิดนี้ช่วยให้สามารถติดตามการทำงานร่วมกันระหว่าง macromolecules และแกนด์.

สแกนเนอร์แคลอรี่

แคลอรี่นี้มีสองเซลล์เหมือนกับ CTI แต่มีอุปกรณ์ที่อนุญาตให้กำหนดอุณหภูมิและความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่เป็นฟังก์ชันของเวลา.

เทคนิคนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการพับของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกรวมถึงความเสถียร.

การใช้งาน

-ความร้อนช่วยให้สามารถตรวจสอบการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเคมีช่วยให้เข้าใจกลไกของสิ่งนี้ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น.

-โดยการพิจารณาความร้อนเฉพาะของวัสดุความร้อนจะให้ข้อมูลที่ช่วยระบุตัวตนของมัน.

-เนื่องจากมีสัดส่วนโดยตรงระหว่างการเปลี่ยนแปลงความร้อนของปฏิกิริยาและความเข้มข้นของสารตั้งต้นควบคู่กับความจริงที่ว่าความร้อนไม่ต้องการตัวอย่างที่ชัดเจนเทคนิคนี้สามารถใช้เพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารที่มีอยู่ในเมทริกซ์เชิงซ้อน.

-ในสาขาวิศวกรรมเคมีใช้ความร้อนในกระบวนการความปลอดภัยเช่นเดียวกับในด้านต่าง ๆ ของกระบวนการปรับให้เหมาะสมปฏิกิริยาเคมีและในหน่วยปฏิบัติการ.

การใช้งานของ calorimetry การไตเตรท isothermal

-มันร่วมมือกันในการสร้างกลไกการทำงานของเอนไซม์เช่นเดียวกับจลนพลศาสตร์ของมัน เทคนิคนี้สามารถวัดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลกำหนดความสัมพันธ์ผูกพันปริมาณสัมพันธ์เอนทาลปีและเอนโทรปีในสารละลายโดยไม่จำเป็นต้องมีเครื่องหมาย.

-ประเมินปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนกับโปรตีนและร่วมกับวิธีการวิเคราะห์อื่น ๆ เป็นเครื่องมือสำคัญในการบันทึกการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีน.

-มันมีการประยุกต์ใช้ในการอนุรักษ์อาหารและพืชผล.

-สำหรับการอนุรักษ์อาหารคุณสามารถกำหนดความเสื่อมและอายุการเก็บได้ (กิจกรรมทางจุลชีววิทยา) คุณสามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพของวิธีการถนอมอาหารที่แตกต่างกันและคุณสามารถกำหนดปริมาณที่เหมาะสมของสารกันบูดรวมถึงการย่อยสลายในการควบคุมบรรจุภัณฑ์.

-สำหรับพืชผักคุณสามารถศึกษาการงอกของเมล็ด อยู่ในน้ำและในที่ที่มีออกซิเจนพวกมันจะปล่อยความร้อนที่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องวัดอุณหภูมิความร้อนใต้พิภพ มันตรวจสอบอายุและการเก็บรักษาที่ไม่เพียงพอของเมล็ดและศึกษาอัตราการเติบโตของพวกเขาเมื่อต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ, pH หรือสารเคมีที่แตกต่างกัน.

-ในที่สุดมันสามารถวัดกิจกรรมทางชีวภาพของดิน นอกจากนี้ยังสามารถตรวจจับโรค.

ใช้ความร้อนในการสแกนแบบดิฟเฟอเรนเชียล

-เมื่อรวมกับ isothermal calorimetry จะได้รับอนุญาตให้ศึกษาการทำงานร่วมกันของโปรตีนกับลิแกนด์การทำงานแบบ allosteric การพับของโปรตีนและกลไกของการทำให้เสถียร.

-คุณสามารถวัดความร้อนโดยตรงที่ปล่อยออกมาหรือถูกดูดซับในระหว่างการเกิดพันธะโมเลกุล.

-การสแกนแบบดิฟเฟอเรนเชียลดิฟเฟอเรนเชียลเป็นเครื่องมือทางอุณหพลศาสตร์สำหรับการสร้างการดูดซับพลังงานแคลอรี่โดยตรงที่เกิดขึ้นในตัวอย่างโดยตรง สิ่งนี้ช่วยให้เราวิเคราะห์ปัจจัยที่แทรกแซงความมั่นคงของโมเลกุลโปรตีน.

-นอกจากนี้เขายังศึกษาอุณหพลศาสตร์ของการเปลี่ยนผ่านของกรดนิวคลีอิก เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ค่าความเสถียรออกซิเดชันของกรดไลโนเลอิกที่แยกได้และเชื่อมโยงกับไขมันอื่น ๆ.

-เทคนิคนี้ถูกนำไปใช้ในการหาปริมาณของสารนาโน - ของแข็งในยาและในการศึกษาสมบัติทางความร้อนของการขนส่งไขมันระดับนาโนโครงสร้าง.

การอ้างอิง

1. Whitten, K. , Davis, R. , Peck, M. และ Stanley, G. เคมี. (2008) 8th แก้ไขการเรียนรู้ Cengage.
2. Rehak, N. N. and Young, D. S. (1978). การประยุกต์ใช้ความร้อนในอนาคตในห้องปฏิบัติการทางคลินิก. Clin Chem. 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). การประยุกต์ปฏิกิริยาความร้อนในวิศวกรรมเคมี. เจ. Therm ทางทวารหนัก 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, P. C. และ Salemme, F. R. (2003). การประยุกต์วิธีการวัดค่าพลังงานความร้อนเพื่อการค้นพบยาและการศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีน. ฟี้ Opin โครงสร้าง Biol. 13 (1): 115-121.
5. ปลา, P. , Moghadem, T. และ Ranjbar, B. (2010).  เทคนิคการวัดค่าการสแกนแบบดิฟเฟอเรนเชียล: การใช้งานทางชีววิทยาและนาโนศาสตร์. J. Biol. Tech.21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, E, Manfield, I. และ Wilkins, T. (2017). การประยุกต์ใช้แคลอรีเมทริกไอเทอร์มอลความร้อนในการประเมินปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและอนุภาคนาโน. เจ. Therm ทางทวารหนัก 127: 605-613.
7. สมาคมวิทยาลัยชุมชนเพื่อการรับรองด้านชีววิทยาศาสตร์ (7 กรกฎาคม 2014) ถ้วยกาแฟร้อน [รูป] สืบค้นเมื่อวันที่ 7 มิถุนายน 2018 จาก: commons.wikimedia.org