قياس السعرات الحرارية: ما يدرسه وتطبيقاته - كيمياء - 2025

و الكالوري هو الاسلوب الذي يحدد التغييرات في المحتوى من السعرات الحرارية من نظام المرتبطة بعملية الكيميائية أو الفيزيائية. يعتمد على قياس التغيرات في درجات الحرارة عندما يمتص النظام الحرارة أو ينبعث منها. المسعر هو المعدات المستخدمة في التفاعلات التي يشارك فيها التبادل الحراري.

ما يعرف باسم "فنجان القهوة" هو أبسط أشكال هذا النوع من الأجهزة. باستخدامه ، يتم قياس كمية الحرارة المتضمنة في التفاعلات التي تتم عند ضغط ثابت في محلول مائي. يتكون جهاز قياس السعرات الحرارية في فنجان القهوة من وعاء من البوليسترين ، يتم وضعه في دورق.

يتم وضع الماء في حاوية البوليسترين ، المجهزة بغطاء مصنوع من نفس المادة التي تمنحه درجة معينة من العزل الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الحاوية على مقياس حرارة ومحرك ميكانيكي.

يقيس هذا المسعر كمية الحرارة الممتصة أو المنبعثة ، اعتمادًا على ما إذا كان التفاعل ماصًا للحرارة أو طاردًا للحرارة ، عندما يحدث التفاعل في محلول مائي. يتكون النظام المراد دراسته من المواد المتفاعلة والمنتجات.

ماذا يدرس المسعر؟

تدرس المسعرات العلاقة بين الطاقة الحرارية المرتبطة بتفاعل كيميائي ، وكيف يتم استخدامها لتحديد متغيراتها. تطبيقاتهم في مجالات البحث تبرر نطاق هذه الأساليب.

قدرة السعرات الحرارية في المسعر

يتم حساب هذه السعة بقسمة كمية الحرارة التي يمتصها المسعر على التغير في درجة الحرارة. هذا الاختلاف هو نتاج الحرارة المنبعثة في تفاعل طارد للحرارة ، والذي يساوي:

كمية الحرارة التي يمتصها المسعر + كمية الحرارة التي يمتصها المحلول

يمكن تحديد الاختلاف عن طريق إضافة كمية معروفة من الحرارة عن طريق قياس التغير في درجة الحرارة. لتحديد سعة السعرات الحرارية ، عادةً ما يستخدم حمض البنزويك ، حيث أن حرارة احتراقه (3227 كيلو جول / مول) معروفة.

يمكن أيضًا تحديد سعة السعرات الحرارية عن طريق إضافة الحرارة باستخدام التيار الكهربائي.

مثال

يتم تسخين قطعة 95 جرام من المعدن إلى 400 درجة مئوية ، ويتم نقلها على الفور إلى مسعر مع 500 جرام من الماء ، مبدئيًا عند 20 درجة مئوية. درجة الحرارة النهائية للنظام هي 24 درجة مئوية. احسب الحرارة النوعية للمعدن.

Δq = mx ce x Δt

في هذا التعبير:

Δq = تباين الحمل.

م = الكتلة.

ce = حرارة محددة.

Δt = تغير درجة الحرارة.

الحرارة المكتسبة من الماء تساوي الحرارة المنبعثة من القضيب المعدني.

هذه القيمة مشابهة لتلك التي تظهر في جدول الحرارة النوعية للفضة (234 جول / كجم ºC).

لذا فإن أحد تطبيقات قياس المسعرات هو التعاون لتحديد المواد.

مضخة قياس السعرات الحرارية

وتتكون من حاوية فولاذية ، تعرف باسم المضخة ، مقاومة للضغوط العالية التي يمكن أن تنشأ أثناء التفاعلات التي تحدث في هذه الحاوية ؛ هذه الحاوية متصلة بدائرة إشعال لبدء التفاعلات.

يتم غمر المضخة في وعاء كبير بالماء ، وتتمثل وظيفته في امتصاص الحرارة المتولدة في المضخة أثناء التفاعلات ، مما يجعل التباين في درجة الحرارة صغيرًا. وعاء الماء مجهز بميزان حرارة ومحرك ميكانيكي.

يتم قياس تغيرات الطاقة عند حجم ودرجة حرارة ثابتين فعليًا ، لذلك لا يتم إجراء أي عمل على التفاعلات التي تحدث في المضخة.

ΔE = ف

ΔE هو تباين الطاقة الداخلية في التفاعل و q الحرارة المتولدة فيه.

أنواع المسعر

مسعر المعايرة الحرارية (CTI)

يحتوي المسعر على خليتين: في إحداهما يتم وضع العينة وفي الأخرى ، يتم وضع الماء بشكل عام.

يتم إلغاء اختلاف درجة الحرارة الذي يتم إنشاؤه بين الخلايا - بسبب التفاعل الذي يحدث في خلية العينة - بواسطة نظام التغذية المرتدة الذي يضخ الحرارة لمعادلة درجات حرارة الخلايا.

يسمح هذا النوع من المسعرات بمتابعة التفاعل بين الجزيئات الكبيرة وروابطها.

المسح التفاضلي المسعر

يحتوي هذا المسعر على خليتين ، مثل CTI ، لكنه يحتوي على جهاز يسمح بتحديد درجة الحرارة وتدفق الحرارة المرتبط بالتغيرات في المادة كدالة للوقت.

توفر هذه التقنية معلومات حول طي البروتينات والأحماض النووية ، بالإضافة إلى استقرارها.

التطبيقات

- يسمح مقياس المسعر بتحديد التبادل الحراري الذي يحدث في تفاعل كيميائي ، مما يسمح بفهم أوضح لآليته.

- من خلال تحديد الحرارة النوعية للمادة ، يوفر قياس المسعر البيانات التي تساعد على التعرف عليها.

- نظرًا لوجود تناسب مباشر بين التغير الحراري للتفاعل وتركيز المواد المتفاعلة ، إلى جانب حقيقة أن القياس المسعر لا يتطلب عينات واضحة ، يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد تركيز المواد الموجودة في المصفوفات المعقدة.

- في مجال الهندسة الكيميائية ، يتم استخدام مقياس المسعر في عملية السلامة ، وكذلك في مختلف مجالات عملية التحسين والتفاعل الكيميائي وفي وحدة التشغيل.

استخدامات قياس الكالوري المعايرة متساوي الحرارة

- يتعاون في إنشاء آلية عمل الإنزيم ، وكذلك في حركته. يمكن لهذه التقنية قياس التفاعلات بين الجزيئات ، وتحديد ألفة الارتباط ، والقياسات المتكافئة ، والمحتوى الحراري ، والنتروبيا في المحلول دون الحاجة إلى علامات.

- يقيم تفاعل الجسيمات النانوية مع البروتينات ، وبالاقتران مع الطرق التحليلية الأخرى ، يعد أداة مهمة لتسجيل التغييرات التوافقية للبروتينات.

-لديها تطبيقات في حفظ الأغذية والمحاصيل.

- فيما يتعلق بالحفاظ على الطعام ، يمكنك تحديد مدى تدهوره ومدة الصلاحية (النشاط الميكروبيولوجي). يمكنك مقارنة كفاءة طرق حفظ الطعام المختلفة ، ويمكنك تحديد الجرعة المثلى من المواد الحافظة ، وكذلك التدهور في التحكم في التعبئة والتغليف.

- أما بالنسبة لمحاصيل الخضر فيمكن دراسة إنبات البذور. عند وجودهم في الماء وفي وجود الأكسجين ، يطلقون حرارة يمكن قياسها باستخدام مقياس حرارة متساوي. فحص العمر والتخزين غير السليم للبذور ودراسة معدل نموها في ظل التغيرات في درجة الحرارة أو درجة الحموضة أو المواد الكيميائية المختلفة.

- أخيرًا ، يمكنه قياس النشاط البيولوجي للتربة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه الكشف عن الأمراض.

استخدامات المسح التفاضلي المسعر

- جنبًا إلى جنب مع المسعر الحراري المتساوي ، جعل من الممكن دراسة تفاعل البروتينات مع روابطها ، والتفاعل الخيفي ، وطي البروتينات وآلية تثبيتها.

- يمكنك قياس الحرارة التي يتم إطلاقها أو امتصاصها مباشرة أثناء حدث الترابط الجزيئي.

- مسعر المسح التفاضلي هو أداة ديناميكية حرارية للتأسيس المباشر لامتصاص الطاقة الحرارية الذي يحدث في العينة. هذا يجعل من الممكن تحليل العوامل المشاركة في استقرار جزيء البروتين.

- كما يدرس الديناميكا الحرارية لانتقال طي الحمض النووي. تسمح هذه التقنية بتحديد الاستقرار التأكسدي لحمض اللينوليك المعزول والمرتبط بالدهون الأخرى.

- يتم تطبيق هذه التقنية في تحديد كمية المواد الصلبة النانوية للاستخدام الصيدلاني وفي التوصيف الحراري لناقلات الدهون ذات البنية النانوية.

المراجع

1. Whitten ، K. ، Davis ، R. ، Peck ، M. and Stanley ، G. Chemistry. (2008). الطبعة الثامنة. تحرير Cengage Learning.
2. Rehak، NN and Young، DS (1978). التطبيقات المحتملة لقياس الكالوري في المختبر السريري. كلين. كيم.24 (8): 1414-1419.
3. ستوسل ، ف. (1997). تطبيقات قياس المسعرات التفاعلية في الهندسة الكيميائية. J. ثيرم. شرجي. 49 (3): 1677-1688.
4. ويبر ، بي سي وسالمي ، فرنسا (2003). تطبيقات الطرق المسعرية لاكتشاف الأدوية ودراسة تفاعلات البروتين. بالعملة. رأي. هيكل. بيول.13 (1): 115-121.
5. جيل ، ب ، مقدم ، ت. ورنجبار ، ب. (2010). تقنيات المسح التفاضلي المسعر: تطبيقات في علم الأحياء وعلم النانو. جي بيول تيك.21 (4): 167-193.
6. عمانوفيتش ميكليكانين ، إي ، مانفيلد ، آي وويلكنز ، ت. (2017). تطبيقات قياس مسعر المعايرة متساوي الحرارة في تقييم تفاعلات البروتين والجسيمات النانوية. J. ثيرم. شرجي. 127: 605-613.
7. اتحاد كلية المجتمع لأوراق اعتماد العلوم البيولوجية. (7 يوليو 2014). فنجان القهوة المسعر.. تم الاسترجاع في 7 يونيو 2018 من: commons.wikimedia.org