Θερμιδομετρία ποιες μελέτες και εφαρμογές

Το θερμιδομετρία είναι μια τεχνική που καθορίζει τις μεταβολές στο θερμιδικό περιεχόμενο ενός συστήματος που σχετίζεται με μια χημική ή φυσική διαδικασία. Βασίζεται στη μέτρηση των μεταβολών της θερμοκρασίας όταν ένα σύστημα απορροφά ή εκπέμπει θερμότητα. Το θερμιδόμετρο είναι ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στις αντιδράσεις στις οποίες εμπλέκεται η ανταλλαγή θερμότητας.

Αυτό που είναι γνωστό ως "κύπελλο καφέ" είναι η απλούστερη μορφή αυτού του τύπου συσκευής. Με τη χρήση του, μετριέται η ποσότητα θερμότητας που εμπλέκεται σε αντιδράσεις που εκτελούνται υπό σταθερή πίεση σε υδατικό διάλυμα. Ένα θερμιδόμετρο καφέ τύπου καφέ αποτελείται από ένα δοχείο από πολυστυρόλιο, το οποίο τοποθετείται σε ένα ποτήρι ζέσεως.

Το νερό τοποθετείται στο δοχείο από πολυστυρόλιο, εξοπλισμένο με καπάκι από το ίδιο υλικό που του δίνει ένα ορισμένο βαθμό θερμομόνωσης. Επιπλέον, το δοχείο διαθέτει ένα θερμόμετρο και έναν μηχανικό αναδευτήρα.

Αυτό το θερμιδόμετρο μετράει την ποσότητα θερμότητας που απορροφάται ή εκπέμπεται, ανάλογα με το εάν η αντίδραση είναι ενδοθερμική ή εξωθερμική, όταν λαμβάνει χώρα μια αντίδραση σε ένα υδατικό διάλυμα. Το σύστημα που πρόκειται να μελετηθεί αποτελείται από αντιδραστήρια και προϊόντα.

Ευρετήριο

• 1 Τι μαθαίνει;?
• 2 θερμιδική ικανότητα ενός θερμιδομέτρου
  • 2.1 Παράδειγμα χρήσης του θερμιδομέτρου για τον υπολογισμό της συγκεκριμένης θερμότητας
• 3 θερμιδομετρική αντλία
• 4 Τύποι θερμιδόμετρου
  • 4.1 θερμιδόμετρο ισοθερμικής τιτλοδότησης (CTI)
  • 4.2 Διαφορικό θερμιδομετρητή σάρωσης
• 5 Εφαρμογές
  • 5.1 Χρήσεις θερμιδομετρίας ισοθερμικής τιτλοδότησης
  • 5.2 Χρήσεις θερμιδομετρίας διαφορικής σάρωσης
• 6 Αναφορές

Τι μελετάει?

Η θερμιδομετρία μελετά τη σχέση μεταξύ της θερμικής ενέργειας που συνδέεται με μια χημική αντίδραση και του τρόπου με τον οποίο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των μεταβλητών της. Οι εφαρμογές της στους τομείς της έρευνας δικαιολογούν το εύρος αυτών των μεθόδων.

Θερμική ικανότητα ενός θερμιδομέτρου

Αυτή η χωρητικότητα υπολογίζεται διαιρώντας την ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από το θερμιδόμετρο από τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Αυτή η παραλλαγή είναι ένα προϊόν της θερμότητας που εκπέμπεται σε μια εξωθερμική αντίδραση, η οποία είναι ίση με:

Ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από το θερμιδόμετρο + ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από το διάλυμα

Η μεταβολή μπορεί να προσδιοριστεί προσθέτοντας μια γνωστή ποσότητα θερμότητας μετρώντας την αλλαγή της θερμοκρασίας. Για τον προσδιορισμό αυτό του βενζοϊκού οξέος θερμοχωρητικότητα χρησιμοποιείται συχνά ως θερμότητα τους καύσης (3.227 kJ / mol) είναι γνωστό.

Μπορείτε επίσης να προσδιορίσετε την θερμιδική χωρητικότητα προσθέτοντας θερμότητα μέσω ηλεκτρικού ρεύματος.

Παράδειγμα της χρήσης του θερμιδόμετρου για τον υπολογισμό της συγκεκριμένης θερμότητας

Μια ράβδος 95 g ενός μετάλλου θερμαίνεται στους 400 ° C, λαμβάνοντας αμέσως θερμιδόμετρο με 500 g νερού, αρχικά στους 20 ° C. Η τελική θερμοκρασία του συστήματος είναι 24ºC. Υπολογίστε τη συγκεκριμένη θερμότητα του μετάλλου.

Δq = m x ce x Δt

Στην έκφραση αυτή:

Δq = μεταβολή φορτίου.

m = μάζα.

ce = ειδική θερμότητα.

Δt = διακύμανση θερμοκρασίας.

Η θερμότητα που αποκτάται από το νερό είναι ίση με τη θερμότητα που απελευθερώνεται από τη μεταλλική ράβδο.

Αυτή η τιμή είναι παρόμοια με αυτήν που εμφανίζεται σε συγκεκριμένο πίνακα θερμότητας για το ασήμι (234 J / kg ºC).

Έτσι, μία από τις εφαρμογές θερμιδομετρίας είναι η συνεργασία για την ταυτοποίηση των υλικών.

Θερμιδομετρική αντλία

Αποτελείται από χαλύβδινο δοχείο, γνωστό ως αντλία, ανθεκτικό στις υψηλές πιέσεις που μπορεί να προκύψουν κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων που συμβαίνουν σε αυτό το δοχείο. αυτό το δοχείο συνδέεται με ένα κύκλωμα ανάφλεξης για να ξεκινήσει τις αντιδράσεις.

Η αντλία βυθίζεται σε ένα μεγάλο δοχείο με νερό, η λειτουργία του οποίου είναι να απορροφά τη θερμότητα που παράγεται στην αντλία κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων, καθιστώντας τη μεταβολή της θερμοκρασίας μικρή. Το δοχείο νερού είναι εφοδιασμένο με θερμόμετρο και μηχανικό αναδευτήρα.

Οι ενεργειακές αλλαγές μετρούνται πρακτικά σε σταθερό όγκο και θερμοκρασία, επομένως δεν γίνεται καμία εργασία σχετικά με τις αντιδράσεις που συμβαίνουν στην αντλία.

ΔΕ = q

ΔE είναι η διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας στην αντίδραση και q η θερμότητα που παράγεται σε αυτό.

Είδη θερμιδόμετρου

Ισοθερμικό θερμιδόμετρο τιτλοδότησης (CTI)

Το θερμιδόμετρο έχει δύο κύτταρα: σε ένα δείγμα τοποθετείται και στο άλλο, το σημείο αναφοράς, τοποθετείται συνήθως νερό.

Η διαφορά θερμοκρασίας που δημιουργείται μεταξύ των κυττάρων - λόγω της αντίδρασης που συμβαίνει στο κύτταρο του δείγματος - ακυρώνεται από ένα σύστημα ανάδρασης που εισάγει θερμότητα για να εξισώσει τις θερμοκρασίες των κυττάρων.

Αυτός ο τύπος θερμιδόμετρου επιτρέπει την παρακολούθηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των μακρομορίων και των προσδεμάτων τους.

Διαφορικό θερμιδομετρητή σάρωσης

Αυτό το θερμιδόμετρο έχει δύο κελιά, το ίδιο με το CTI, αλλά διαθέτει μια συσκευή που επιτρέπει τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας και των ροών θερμότητας που σχετίζονται με τις αλλαγές ενός υλικού ως συνάρτηση του χρόνου.

Αυτή η τεχνική παρέχει πληροφορίες σχετικά με την αναδίπλωση πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων, καθώς και τη σταθεροποίησή τους.

Εφαρμογές

-Η θερμιδομετρία επιτρέπει τον προσδιορισμό της ανταλλαγής θερμότητας που συμβαίνει σε μια χημική αντίδραση, επιτρέποντας να κατανοηθεί με μεγαλύτερη σαφήνεια ο μηχανισμός αυτού.

-Με τον προσδιορισμό της συγκεκριμένης θερμότητας ενός υλικού, η θερμιδομετρία παρέχει δεδομένα που βοηθούν στην αναγνώρισή της.

-Δεδομένου ότι υπάρχει άμεση αναλογία μεταξύ της αλλαγής θερμότητας μιας αντίδρασης και της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η θερμιδομετρία δεν απαιτεί καθαρά δείγματα, αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των ουσιών που υπάρχουν σε πολύπλοκες μήτρες..

-Στον τομέα της θερμιδομετρίας χρησιμοποιούνται ασφάλεια της διαδικασίας χημικής μηχανικής, καθώς και σε διάφορους τομείς της διαδικασίας βελτιστοποίησης, χημική αντίδραση και στη λειτουργική μονάδα.

Χρήσεις θερμιδομετρίας ισοθερμικής τιτλοδότησης

-Συνεργάζεται στην καθιέρωση του μηχανισμού της ενζυματικής δράσης, καθώς και στην κινητική του. Αυτή η τεχνική μπορεί να μετρήσει τις αντιδράσεις μεταξύ των μορίων, τον προσδιορισμό της συγγένειας δέσμευσης, στοιχειομετρία, ενθαλπίας και εντροπίας σε διάλυμα χωρίς την ανάγκη για δείκτες.

-Αξιολογεί την αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων με πρωτεΐνες και, σε συνδυασμό με άλλες αναλυτικές μεθόδους, είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την καταγραφή των μεταβολών της διαμόρφωσης των πρωτεϊνών.

-Έχει εφαρμογή στη διατήρηση των τροφίμων και των καλλιεργειών.

-Όσον αφορά τη διατήρηση των τροφίμων, μπορείτε να καθορίσετε την υποβάθμιση και τη διάρκεια ζωής τους (μικροβιολογική δραστηριότητα). Μπορείτε να συγκρίνετε την αποτελεσματικότητα των διαφόρων μεθόδων διατήρησης τροφίμων και είστε σε θέση να προσδιορίσετε τη βέλτιστη δόση των συντηρητικών καθώς και την αποικοδόμηση στον έλεγχο της συσκευασίας.

-Όσον αφορά τις καλλιέργειες λαχανικών, μπορείτε να μελετήσετε τη βλάστηση του σπόρου. Όταν βρίσκονται σε νερό και παρουσία οξυγόνου, απελευθερώνουν θερμότητα που μπορεί να μετρηθεί με ισοθερμικό θερμιδόμετρο. Εξετάζει την ηλικία και την ανεπαρκή αποθήκευση των σπόρων και μελετά τον ρυθμό ανάπτυξής τους όταν αντιμετωπίζει διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, του ρΗ ή των διαφορετικών χημικών ουσιών..

-Τέλος, μπορεί να μετρήσει τη βιολογική δραστηριότητα των εδαφών. Επιπλέον, μπορεί να εντοπίσει ασθένειες.

Χρήσεις διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης

-Μαζί με την ισοθερμική θερμιδομετρία, επέτρεψε να μελετήσει την αλληλεπίδραση των πρωτεϊνών με τους συνδετήρες τους, την αλλοστερική αλληλεπίδραση, την αναδίπλωση των πρωτεϊνών και τον μηχανισμό της σταθεροποίησης τους.

-Μπορείτε να μετρήσετε απευθείας τη θερμότητα που απελευθερώνεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια ενός γεγονότος μοριακών δεσμών.

-Η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης είναι ένα θερμοδυναμικό εργαλείο για τον άμεσο προσδιορισμό της πρόσληψης θερμικής ενέργειας που εμφανίζεται σε ένα δείγμα. Αυτό μας επιτρέπει να αναλύσουμε τους παράγοντες που παρεμβαίνουν στη σταθερότητα του μορίου πρωτεΐνης.

-Μελετά επίσης τη θερμοδυναμική της μετάβασης διπλώματος πυρήνα νουκλεϊκού οξέος. Η τεχνική επιτρέπει τον προσδιορισμό της οξειδωτικής σταθερότητας του λινολεϊκού οξέος που απομονώνεται και συζεύγνυται με άλλα λιπίδια.

-Η τεχνική εφαρμόζεται στην ποσοτικοποίηση των φαρμακευτικών νανο-στερεών και στον θερμικό χαρακτηρισμό μεταφορέων λιπιδίων με νανοδομή.

Αναφορές

1. Whitten, Κ., Davis, R., Peck, Μ. And Stanley, Ο. Χημεία. (2008). 8η έκδ. Επεξεργασία μαθησιακών μονάδων.
2. Rehak, Ν. Ν. And Young, D.S (1978). Προοπτικές εφαρμογές θερμιδομετρίας στο κλινικό εργαστήριο. Clin. Chem 24 (8): 1414-1419.
3. Stossel, F. (1997). Εφαρμογές θερμιδομετρίας αντίδρασης στη χημική μηχανική. J. Therm. Anal 49 (3): 1677-1688.
4. Weber, Ρ. C. and Salemme, F. R. (2003). Εφαρμογές θερμιδομετρικών μεθόδων στην ανακάλυψη φαρμάκων και μελέτη αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών. Curr. Opin. Struct. Biol., 13 (1): 115-121.
5. Gill, Ρ., Moghadem, Τ. And Ranjbar, Β. (2010).  Τεχνικές θερμιδομετρίας διαφορικής σάρωσης: εφαρμογές στη Βιολογία και τη νανοεπιστήμη. J. Biol. Tech. 21 (4): 167-193.
6. Omanovic-Miklicanin, Ε., Manfield, Ι. And Wilkins, Τ. (2017). Εφαρμογές ισοθερμικής θερμιδομετρίας τιτλοδότησης στην αξιολόγηση αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών-νανοσωματιδίων. J. Therm. Anal 127: 605-613.
7. Κοινοτική κοινοπραξία κοινοπραξίας για τα διαπιστευτήρια βιοεπιστημών. (7 Ιουλίου 2014). Καλοριφέρ ζαχαροπλαστικής. [Εικόνα] Ανακτήθηκε στις 7 Ιουνίου 2018 από: commons.wikimedia.org