الكيمياء الحراريةالكيمياءالكيمياء الفيزيائيه

المسعر الحراري

يعتبر قياس كمية الحرارة التي تنطلق أو تمتص في عملية معينة أمرًا بالغ الأهمية لفهم الظواهر الطبيعية والتفاعلات الكيميائية. ومن بين أدوات القياس الشائعة في هذا السياق، نجد المسعر الحراري

المسعر الحراري

في عالم الكيمياء والفيزياء، يعتبر قياس كمية الحرارة التي تنطلق أو تمتص في عملية معينة أمرًا بالغ الأهمية لفهم الظواهر الطبيعية والتفاعلات الكيميائية. ومن بين أدوات القياس الشائعة في هذا السياق، نجد المسعر الحراري، التي تأتي بأنواع مختلفة تلبي احتياجات التجارب المختلفة.

ما هو المسعر الحراري؟

المسعر الحراري هو جهاز يستخدم لقياس الحرارة  الممتصة أو المنطلقة في تغير كيميائي أو فيزيائي .

المسعر الحراري هو جهاز لقياس الحرارة الممتصة أو المنطلقة في تغير كيميائي أو فيزيائي
المسعر الحراري هو جهاز لقياس الحرارة الممتصة أو المنطلقة في تغير كيميائي أو فيزيائي

هناك نوعان من أكثر أنواع المسعرات شيوعًا هما مسعر فنجان القهوة ومسعر القنبلة.

مسعر فنجان القهوة:

إن مسعر فنجان القهوة هو في الأساس كوب من البوليسترين (الستايروفوم) بغطاء. يمتلئ الكوب جزئيًا بكمية معلومة من الماء ويتم إدخال مقياس الحرارة من خلال غطاء الكوب بحيث تكون بصيلته تحت سطح الماء. عندما يحدث تفاعل كيميائي في مسعر فنجان القهوة، يمتص الماء حرارة التفاعل. يُستخدم التغير في درجة حرارة الماء لحساب كمية الحرارة التي تم امتصاصها (فتنخفض درجة حرارة الماء) أو التي انطلقت (التي فقدت في الماء، فترتفع درجة حرارته) في التفاعل.

من خلال قياس التغيير في درجة الحرارة ومعرفة الحرارة النوعية للماء ، يمكن للباحثين حساب الحرارة المنطلقة أو الممتصة من قبل التفاعل باستخدام الصيغة التالية:

q=m c ΔT

 

حيث:

    • هو الحرارة المنطلقة أو الممتصة (بالجول أو السعر الحراري).
    • هو كتلة الماء (بالجرامات).
    • هو الحرارة النوعية للماء  (بالجول/جرام°س أو سعرحراري/جرام°س).
    • هو التغيير في درجة الحرارة (بالدرجات مئوية).

حيث q هو كمية الحرارة، وm هو الكتلة بالجرام ، وΔt هو التغير في درجة الحرارة. الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من المادة درجة واحدة مئوية. الحرارة النوعية للماء هي 4.18 J/(g·°C).

على سبيل المثال، لنفترض حدوث تفاعل كيميائي في 200 جرام من الماء بدرجة حرارة أولية تبلغ 25.0 درجة مئوية. يُسمح للتفاعل بالاستمرار في المسعر الحراري لفنجان القهوة. ونتيجة للتفاعل، تتغير درجة حرارة الماء إلى 31.0 درجة مئوية. ويتم حساب كميةالحرارة:

qwater = 4.18 J/(g·°C) x 200 g x (31.0 C – 25.0 C)

qwater = +5.0 x 103 J

نتج عن نواتج التفاعل 5000 جول من الحرارة، والتي فقدت في الماء. التغير في المحتوى الحراري ΔH للتفاعل يساوي في الحجم ولكنه معاكس في إشارة التدفق الحراري للماء:

تفاعل ΔH = -(q ماء )

ΔHreaction = -(qwater)

تذكر أنه في حالة التفاعل الطارد للحرارة، ΔH < 0، يكون الماء q موجبًا. يمتص الماء الحرارة من التفاعل ويلاحظ زيادة في درجة الحرارة.

في حالة التفاعل الماص للحرارة، ΔH > 0، يكون الماء q سالبًا. يزود الماء بالحرارة اللازمة للتفاعل ويلاحظ انخفاض في درجة الحرارة.

مسعر القنبلة:

يعتبر مسعر فنجان القهوة رائعًا لقياس تدفق الحرارة في المحلول، لكن لا يمكن استخدامه للتفاعلات التي تتضمن غازات لأنها ستتسرب من الكوب. ولا يمكن استخدام مسعر فنجان القهوة في التفاعلات ذات درجات الحرارة المرتفعة أيضًا، لأنها قد تؤدي إلى إذابة الكوب. يستخدم المسعر القنبلة لقياس التدفقات الحرارية للغازات وتفاعلات درجات الحرارة العالية.

يعمل  مسعر القنبلة بنفس الطريقة التي يعمل بها مسعر فنجان القهوة، مع اختلاف واحد كبير: في مسعر فنجان القهوة، يحدث التفاعل في الماء، بينما في مسعر القنبلة، يحدث التفاعل في حاوية معدنية محكمة الغلق، والتي يتم وضعها في الماء في حاوية معزولة.

في مسعر القنبلة، يحدث التفاعل في حاوية معدنية محكمة الغلق، والتي يتم وضعها في الماء في حاوية معزولة.
في مسعر القنبلة، يحدث التفاعل في حاوية معدنية محكمة الغلق، والتي يتم وضعها في الماء في حاوية معزولة.

يعبر التدفق الحراري الناتج عن التفاعل جدران الوعاء المغلق إلى الماء. يتم قياس الفرق في درجة حرارة الماء، تمامًا كما هو الحال بالنسبة لمسعر فنجان القهوة. يعد تحليل تدفق الحرارة أكثر تعقيدًا بعض الشيء مما كان عليه الحال بالنسبة لمسعر فنجان القهوة لأنه يجب أن يؤخذ في الاعتبار تدفق الحرارة إلى الأجزاء المعدنية من المسعر:

تفاعل q = – ( q ماء + q قنبلة )

 

qreaction = – (qwater + qbomb)

حيث qwater = 4.18 J/(g·°C) x mwater x Δt

مسعر القنبلة له كتلة ثابتة وحرارة محددة. يُطلق أحيانًا على كتلة مسعر القنبلة مضروبة في حرارتها النوعية اسم ثابت المسعر، ويُشار إليه بالرمز C بوحدات الجول لكل درجة مئوية. يتم تحديد ثابت المسعر تجريبيًا ويختلف من مسعر إلى آخر. كمية الحرارة لمسعر القنبلة هو:

qbomb = C x Δt

بمجرد معرفة ثابت المسعر، يصبح حساب كمية الحرارة أمرًا بسيطًا.

غالبًا ما يتغير الضغط داخل مسعر القنبلة أثناء التفاعل، لذلك قد لا تكون كمية الحرارة مساويًا للتغير المحتوى الحراري.

يشتهر باسم “مسعر القنبلة” لأنه يشبه في شكله القنابل، ويتم وضع عينة من المادة في وعاء الاحتراق وتشتعل لتحرق تحت ظروف محددة.

باختصار، كل من المسعرات الفنجانية والقنبلة توفر طرقًا فعالة لقياس الحرارة في التفاعلات الكيميائية والفيزيائية، ويستخدم كلاهما بشكل واسع في البحوث العلمية والتطبيقات الصناعية.

في الختام، يُظهر استخدام المسعرات الحرارية، سواء كانت مسعر فنجان القهوة البسيطة أو مسعر القنبلة الأكثر تعقيدًا، تطورًا هامًا في قدرتنا على فهم وتحليل التفاعلات الكيميائية والفيزيائية.

تلك الأدوات العلمية لها دور لا يُقدر بثمن في توجيه البحوث وتقدم العلم، وتسهم في تحسين فهمنا لعمليات الطبيعة وتطبيقاتها العملية في مختلف المجالات.

المراجع:

1- موقع https://byjus.com/physics/calorimeter/ أطلعت عليه بتاريخ 16/2/2024.

2- موقع https://www.britannica.com/technology/calorimeter أطلعت عليه بتاريخ 16/2/2024.

3- موقع https://www.thoughtco.com/coffee-cup-and-bomb-calorimetry-609255 أطلعت عليه بتاريخ 16/2/2024.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى