گرماسنجی به روش مستقیم(گرماسنج لیوانی)

1. مقدمه و تعریف گرماسنجی مستقیم
گرماسنجی به روش مستقیم، یکی از روش‌های تجربی برای اندازه‌گیری گرمای مبادله شده در جریان یک واکنش شیمیایی یا فرایند فیزیکی است. در این روش، واکنش در داخل یک دستگاه عایق به نام «گرماسنج» (کالریمر) انجام می‌شود تا از تبادل گرما با محیط بیرون جلوگیری شود.
2. ویژگی‌های گرماسنج لیوانی
گرماسنج لیوانی ساده‌ترین نوع گرماسنج است که معمولاً از دو لیوان یک‌بارمصرف تودرتو، یک درپوش، یک همزن و یک دماسنج تشکیل شده است.
• فشار ثابت: از آنجا که در این گرماسنج کاملاً محکم و مسدود نیست (منافذی برای دماسنج و همزن دارد)، فشار داخل آن با فشار جو برابر بوده و ثابت می‌ماند. بنابراین، گرمای اندازه‌گیری شده در این دستگاه برابر با تغییر آنتالپی فرایند است:
\[\Delta H = Q_p\]
• بسیار مهم: موارد استفاده: این گرماسنج برای واکنش‌هایی که در محیط آبی (محلول) انجام می‌شوند، بسیار مناسب است (مانند انحلال، خنثی شدن اسید و باز، واکنش‌های رسوبی).

• بسیار مهم: محدودیت‌ها: این روش برای واکنش‌هایی که گاز فراوانی تولید می‌کنند (خروج گاز باعث اتلاف گرما می‌شود) یا گرمای بسیار زیادی آزاد می‌کنند (مانند واکنش‌های سوختن که ممکن است لیوان را ذوب کنند)، مناسب نیست.

۳. فرضیات ساده‌کننده در حل مسائل گرماسنج لیوانی
برای حل مسائل محاسباتی این بخش در سطح کتاب درسی، فرض‌های زیر در نظر گرفته می‌شود:
۱. از ظرفیت گرمایی خود لیوان، همزن و دماسنج صرف‌نظر می‌شود (مگر آنکه در صورت سوال ذکر شده باشد).
به عبارتی فرض می‌کنیم تمام گرمای واکنش صرف گرم کردن محلول می‌شود یا از آن گرفته می‌شود.
۲. برای محلول‌های آبی رقیق، چگالی (d) و ظرفیت گرمایی ویژه (c) محلول را برابر با چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه آب خالص در نظر می‌گیریم (\(d\simeq 1g/ml ,c\simeq 4.18J/g ^{^{\circ }}C\)).
۴. فرمول‌های محاسباتی

گام اول (محاسبه گرمای محلول): ابتدا با استفاده از تغییر دمای محلول، مقدار گرمای مبادله شده محاسبه می‌شود: 

\[ Q_{{محلول}} = m \cdot c \cdot \Delta \theta \] 

• \(m\): جرم کل محلول بر حسب گرم (g) (مجموع جرم حلال و حل‌شونده). 

• \(c\): ظرفیت گرمایی ویژه محلول (J/g°C). 

• \(\Delta\theta\): تغییر دما (\(\theta_{2}-\theta_{1} \)). 

•گام دوم (محاسبه آنتالپی واکنش): برای یافتن آنتالپی مولی واکنش (\(\Delta H\))، گرمای مبادله شده را بر تعداد مول ماده شرکت‌کننده تقسیم می‌کنیم: 

\[ \Delta H = \frac{Q_p}{n} \] 

نکته: گرمای واکنش هم‌اندازه اما قرینه گرمای محلول است \(Q_{واکنش}=-Q_{محلول}\). اگر دمای محلول بالا برود (\(\Delta\theta\lt 0\))، واکنش گرماده بوده و \(\Delta H\lt 0\) است.