เทอร์โมเคมีและแคลอรีเมทรี

เทอร์โมเคมีเป็นการหาปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเคมี และแคลอรีเมทรีเป็นศิลปะเชิงทดลองในการวัดความร้อนนั้นเพื่อหาเอนทาลปีของปฏิกิริยาและความจุความร้อน

Definition

เทอร์โมเคมีคือการศึกษาความร้อนที่เกิดขึ้นหรือถูกดูดซับในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงสถานะ และแคลอรีเมทรีคือชุดของวิธีการทดลองที่ใช้วัดความร้อนเหล่านี้และความจุความร้อนของสาร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเปลี่ยนแปลงความร้อนที่เกิดขึ้นพร้อมกับปฏิกิริยาเคมี: เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิด, การเผาไหม้, และปฏิกิริยา; กฎของเฮสส์ว่าด้วยผลรวมความร้อนคงที่; การขึ้นกับอุณหภูมิของเอนทาลปีปฏิกิริยาผ่านกฎของเคอร์ชฮอฟฟ์; และเอนทาลปีพันธะ นอกจากนี้ยังครอบคลุมเทคนิคแคลอรีเมทรีที่ใช้ในการวัดปริมาณเหล่านี้ รวมถึงบอมบ์แคลอรีเมทรีและแคลอรีเมทรีความดันคงที่ และดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอรีเมทรี พร้อมกับการวัดความจุความร้อน การทำนายความจุความร้อนด้วยกลศาสตร์เชิงสถิติจะกล่าวถึงภายใต้หัวข้อเทอร์โมไดนามิกส์เชิงสถิติ

Core questions

• กฎของเฮสส์ช่วยให้สามารถรวมเอนทาลปีปฏิกิริยาจากเอนทาลปีการเกิดที่จัดทำเป็นตารางได้อย่างไร?
• กฎของเคอร์ชฮอฟฟ์อธิบายการขึ้นกับอุณหภูมิของเอนทาลปีปฏิกิริยาได้อย่างไร?
• บอมบ์แคลอรีมิเตอร์และแคลอรีมิเตอร์ความดันคงที่วัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในและเอนทาลปีได้อย่างไร?
• เอนทาลปีพันธะถูกนำมาใช้ในการประมาณเอนทาลปีปฏิกิริยาได้อย่างไร?

Key concepts

• เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิดและปฏิกิริยา
• กฎของเฮสส์ว่าด้วยผลรวมความร้อนคงที่
• กฎของเคอร์ชฮอฟฟ์และความจุความร้อน
• บอมบ์แคลอรีเมทรีและแคลอรีเมทรีความดันคงที่
• เอนทาลปีพันธะ

Key theories

กฎของเฮสส์

เนื่องจากเอนทาลปีเป็นฟังก์ชันสถานะ การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาจึงเท่ากันไม่ว่าจะผ่านเส้นทางใด ดังนั้นเอนทาลปีปฏิกิริยาสามารถนำมารวมและลบออกจากเอนทาลปีการเกิดมาตรฐานที่จัดทำเป็นตารางได้

กฎของเคอร์ชฮอฟฟ์ว่าด้วยการขึ้นกับอุณหภูมิ

การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีปฏิกิริยาตามอุณหภูมิถูกควบคุมโดยความแตกต่างของความจุความร้อนระหว่างผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น ซึ่งช่วยให้สามารถปรับแก้เอนทาลปีที่วัดได้ที่อุณหภูมิหนึ่งไปยังอีกอุณหภูมิหนึ่งได้

Clinical relevance

เทอร์โมเคมีและแคลอรีเมทรีให้ค่าเชื้อเพลิงและความร้อนปฏิกิริยาที่จำเป็นสำหรับวิศวกรรมพลังงานและการเผาไหม้ ข้อมูลความร้อนสำหรับความปลอดภัยของกระบวนการและเครื่องปฏิกรณ์ พลังงานความเสถียรและการพับตัวที่วัดโดยดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงและไอโซเทอร์มอลไทเทรชันแคลอรีเมทรีในชีวเคมี และปริมาณพลังงานทางโภชนาการของอาหาร

History

แคลอรีเมทรีเริ่มต้นด้วยเครื่องวัดความร้อนน้ำแข็งของลาวัวซิเยร์และลาปลาซในทศวรรษ 1780; เฮสส์ได้กำหนดคุณสมบัติการรวมกันของความร้อนปฏิกิริยาในปี 1840 และบอมบ์แคลอรีเมทรีของแบร์เธโลต์ในศตวรรษที่สิบเก้าได้ทำให้การวัดเอนทาลปีการเผาไหม้และการเกิดอย่างเป็นระบบเป็นรากฐานของเคมีฟิสิกส์

Key figures

• Germain Henri Hess
• Antoine Lavoisier
• Marcellin Berthelot

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างบอมบ์แคลอรีมิเตอร์กับแคลอรีมิเตอร์ความดันคงที่คืออะไร?

บอมบ์แคลอรีมิเตอร์จะรักษาระดับปริมาตรของปฏิกิริยาให้คงที่และวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน ในขณะที่แคลอรีมิเตอร์ความดันคงที่ซึ่งเปิดสู่บรรยากาศจะวัดการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีโดยตรง ทั้งสองมีความสัมพันธ์กันโดยงานที่ทำต้านความดันเมื่อแก๊สขยายตัวหรือหดตัว

เหตุใดเอนทาลปีการเกิดจึงถูกกำหนดโดยสัมพันธ์กับธาตุ?

ไม่สามารถวัดเอนทาลปีสัมบูรณ์ได้ จึงจำเป็นต้องมีจุดอ้างอิง การกำหนดให้เอนทาลปีการเกิดของธาตุในสถานะมาตรฐานเป็นศูนย์จะให้พื้นฐานที่สอดคล้องกัน ซึ่งสามารถใช้คำนวณเอนทาลปีการเกิดของสารประกอบใดๆ และด้วยเหตุนี้จึงสามารถคำนวณเอนทาลปีของปฏิกิริยาใดๆ ได้