گرماسنجی: نگاهی به دنیای اندازه‌گیری گرما
مبانی اولیه: گرما و دما چه تفاوتی دارند؟
پیش از پرداختن به گرماسنجی، باید بین دو مفهوم دما و گرما تمایز قائل شویم. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی ذرات یک جسم است، در حالی که گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم منتقل می‌شود. واحد اندازه‌گیری گرما در سیستم متریک، ژول (J) یا گاهی کالری(cal) است. هر 1 cal معادل 4.184 J است.
اجزای اصلی یک گرماسنج و نحوه عملکرد آن
یک گرماسنج ساده معمولاً از سه بخش کلیدی تشکیل شده است:
۱. ظرف عایق‌بندی‌شده: این ظرف (که اغلب فوم پلی‌استایرن است) از تبادل گرما با محیط بیرون جلوگیری می‌کند تا تمام گرمای مبادله‌شده فقط بین اجزای داخل سیستم باشد.
۲. دماسنج: برای اندازه‌گیری دقیق تغییرات دما در طول فرآیند استفاده می‌شود.
۳. همزن: برای یکنواخت کردن دمای کل مخلوط و رسیدن سریع‌تر به تعادل گرمایی به کار می‌رود.
اصل کار گرماسنج بر پایه قانون بقای انرژی استوار است. این قانون که به قانون اول ترمودینامیک نیز معروف است، می‌گوید: «انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود». در یک گرماسنج، گرمای آزادشده توسط یک فرآیند (مانند یک واکنش شیمیایی گرمازا) دقیقاً برابر با گرمای جذب‌شده توسط محیط اطراف (مانند آب داخل گرماسنج) است.
| نام ماده | گرمای ویژه (J/g°C) | توضیح |
|---|---|---|
| آب | 4.18 | گرمای ویژه بسیار بالا، دلیل خوب بودن آن برای خنک‌کاری |
| آهن | 0.45 | سریع‌تر گرم و سرد می‌شود |
| مس | 0.39 | هدایت گرمایی عالی |
واکنش‌های گرمازا و گرماگیر: شناسایی با گرماسنجی
یکی از اصلی‌ترین کاربردهای گرماسنجی، تشخیص نوع واکنش‌های شیمیایی است.
واکنش گرمازا۴: در این واکنش‌ها، انرژی به صورت گرما به محیط اطراف آزاد می‌شود. در نتیجه دمای محیط گرماسنج افزایش می‌یابد. سوختن چوب و واکنش بین اسید و باز قوی از مثال‌های رایج هستند.
واکنش گرماگیر۵: در این واکنش‌ها، انرژی از محیط اطراف جذب می‌شود. در نتیجه دمای محیط گرماسنج کاهش می‌یابد. حل شدن نمک آمونیوم در آب و فرآیند فتوسنتز از نمونه‌های این نوع واکنش‌اند.
یک آزمایش ساده: اندازه‌گیری گرمای حل‌شوندگی
فرض کنید می‌خواهیم گرمای حل شدن هیدروکسید سدیم (سود سوزآور) در آب را اندازه‌گیری کنیم.
مواد و ابزار مورد نیاز: گرماسنج فومی، دماسنج، همزن، ترازو، 100 mL آب، 5 g هیدروکسید سدیم.
روش کار:
۱. دمای اولیه آب را اندازه گرفته و ثبت می‌کنیم: $ T_i = 25.0^\circ C $
۲. هیدروکسید سدیم را به آب اضافه کرده و با همزن مخلوط می‌کنیم تا کاملاً حل شود.
۳. بالاترین دمای ثبت‌شده را به عنوان دمای نهایی یادداشت می‌کنیم: $ T_f = 35.5^\circ C $
۴. تغییر دما را محاسبه می‌کنیم: $ \Delta T = T_f - T_i = 35.5 - 25.0 = 10.5^\circ C $
۵. با فرض اینکه چگالی آب 1 g/mL است، جرم آب 100 g خواهد بود. گرمای جذب‌شده توسط آب را محاسبه می‌کنیم:
$ q_{water} = m \times c \times \Delta T = 100 \times 4.18 \times 10.5 = 4389 J $
طبق قانون بقای انرژی، این مقدار گرما در واقع همان گرمای آزادشده توسط حل شدن هیدروکسید سدیم است ($ q_{reaction} = -q_{water} = -4389 J $). علامت منفی نشان‌دهنده گرمازا بودن واکنش است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ گرماسنجی (Calorimetry): روش علمی اندازه‌گیری گرمای یک فرآیند فیزیکی یا شیمیایی.
۲ گرمای ویژه (Specific Heat Capacity): مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک گرم از یک ماده به اندازه یک درجه سلسیوس.
۳ ظرفیت گرمایی (Heat Capacity): مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای کل یک جسم به اندازه یک درجه سلسیوس.
۴ گرمازا (Exothermic): واکنش‌هایی که با آزادسازی گرما همراه هستند.
۵ گرماگیر (Endothermic): واکنش‌هایی که با جذب گرما از محیط همراه هستند.