- Calorimetry ศึกษาอะไร?
- ความจุแคลอรี่ของแคลอริมิเตอร์
- ตัวอย่าง
- ปั๊มแคลอรี่เมตริก
- ประเภทของแคลอริมิเตอร์
- เครื่องวัดความร้อนแบบ Isothermal Titration (CTI)
- Differential Scanning Calorimeter
- การประยุกต์ใช้งาน
- การใช้เครื่องวัดความร้อนด้วยไอโซเทอร์มอล
- การใช้เครื่องวัดความร้อนแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล
- อ้างอิง
การวัดปริมาณความร้อนเป็นเทคนิคที่กำหนดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแคลอรี่ของระบบที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีหรือทางกายภาพ ขึ้นอยู่กับการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเมื่อระบบดูดซับหรือปล่อยความร้อน แคลอริมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อน
สิ่งที่เรียกว่า "ถ้วยกาแฟ" เป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของเครื่องใช้ประเภทนี้ เมื่อใช้มันจะวัดปริมาณความร้อนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ในสารละลายในน้ำ แคลอริมิเตอร์ถ้วยกาแฟประกอบด้วยภาชนะโพลีสไตรีนซึ่งวางอยู่ในบีกเกอร์
น้ำจะถูกใส่ไว้ในภาชนะโพลีสไตรีนพร้อมฝาปิดที่ทำจากวัสดุชนิดเดียวกันที่ให้ฉนวนกันความร้อนได้ในระดับหนึ่ง นอกจากนี้ภาชนะยังมีเครื่องวัดอุณหภูมิและเครื่องกวนแบบกล
เครื่องวัดความร้อนนี้จะวัดปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาโดยขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยานั้นเป็นแบบดูดความร้อนหรือคายความร้อนเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ ระบบที่จะศึกษาประกอบด้วยสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์
Calorimetry ศึกษาอะไร?
Calorimetry ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีและวิธีการใช้เพื่อกำหนดตัวแปร การประยุกต์ใช้ในสาขาการวิจัยแสดงให้เห็นถึงขอบเขตของวิธีการเหล่านี้
ความจุแคลอรี่ของแคลอริมิเตอร์
ความจุนี้คำนวณโดยหารปริมาณความร้อนที่แคลอริมิเตอร์ดูดซับด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ รูปแบบนี้เป็นผลคูณของความร้อนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาคายความร้อนซึ่งเท่ากับ:
ปริมาณความร้อนที่แคลอริมิเตอร์ดูดซับ + ปริมาณความร้อนที่สารละลายดูดซับ
การเปลี่ยนแปลงสามารถกำหนดได้โดยการเพิ่มปริมาณความร้อนที่ทราบโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับการหาค่าความจุแคลอรี่นี้โดยปกติจะใช้กรดเบนโซอิกเนื่องจากทราบความร้อนจากการเผาไหม้ (3,227 กิโลจูล / โมล)
ความจุแคลอรี่สามารถกำหนดได้โดยการเพิ่มความร้อนโดยใช้กระแสไฟฟ้า
ตัวอย่าง
แท่งโลหะ 95 กรัมถูกทำให้ร้อนที่ 400 ºCนำไปที่แคลอริมิเตอร์ทันทีด้วยน้ำ 500 กรัมโดยเริ่มต้นที่ 20 ºC อุณหภูมิสุดท้ายของระบบคือ 24 ºC คำนวณความร้อนจำเพาะของโลหะ
Δq = mx ce x Δt
ในนิพจน์นี้:
Δq = รูปแบบการโหลด
m = มวล
ce = ความร้อนจำเพาะ
Δt = การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
ความร้อนที่ได้รับจากน้ำจะเท่ากับความร้อนที่ได้รับจากแท่งโลหะ
ค่านี้ใกล้เคียงกับค่าที่ปรากฏในตารางความร้อนจำเพาะของเงิน (234 J / kg ºC)
ดังนั้นหนึ่งในการประยุกต์ใช้การวัดปริมาณความร้อนคือความร่วมมือในการระบุวัสดุ
ปั๊มแคลอรี่เมตริก
ประกอบด้วยภาชนะเหล็กที่เรียกว่าปั๊มทนต่อแรงกดดันสูงที่อาจเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในภาชนะนี้ ภาชนะนี้เชื่อมต่อกับวงจรจุดระเบิดเพื่อเริ่มปฏิกิริยา
ปั๊มถูกแช่อยู่ในภาชนะขนาดใหญ่ที่มีน้ำซึ่งมีหน้าที่ดูดซับความร้อนที่เกิดขึ้นในปั๊มระหว่างปฏิกิริยาทำให้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีขนาดเล็ก ภาชนะบรรจุน้ำมีเทอร์โมมิเตอร์และเครื่องกวนเชิงกล
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานวัดได้ที่ปริมาตรและอุณหภูมิแทบคงที่ดังนั้นจึงไม่มีการดำเนินการใด ๆ กับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในปั๊ม
ΔE = q
ΔEคือการแปรผันของพลังงานภายในในปฏิกิริยาและ q ความร้อนที่เกิดขึ้น
ประเภทของแคลอริมิเตอร์
เครื่องวัดความร้อนแบบ Isothermal Titration (CTI)
เครื่องวัดความร้อนมีสองเซลล์: ในหนึ่งตัวอย่างจะถูกวางไว้และอีกเซลล์หนึ่งการอ้างอิงจะถูกวางไว้โดยทั่วไป
ความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นระหว่างเซลล์ - เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ตัวอย่างจะถูกยกเลิกโดยระบบป้อนกลับที่ฉีดความร้อนเพื่อปรับอุณหภูมิของเซลล์ให้เท่ากัน
แคลอริมิเตอร์ประเภทนี้ช่วยให้สามารถติดตามปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่และลิแกนด์ได้
Differential Scanning Calorimeter
เครื่องวัดความร้อนนี้มีสองเซลล์เช่นเดียวกับ CTI แต่มีอุปกรณ์ที่ช่วยให้สามารถกำหนดอุณหภูมิและฟลักซ์ความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของวัสดุตามหน้าที่ของเวลาได้
เทคนิคนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการพับของโปรตีนและกรดนิวคลีอิกตลอดจนการคงตัว
การประยุกต์ใช้งาน
- การวัดความร้อนช่วยในการตรวจสอบการแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาทางเคมีจึงช่วยให้เข้าใจกลไกได้ชัดเจนขึ้น
- ด้วยการกำหนดความร้อนจำเพาะของวัสดุการวัดความร้อนจะให้ข้อมูลที่ช่วยในการระบุ
- เนื่องจากมีสัดส่วนโดยตรงระหว่างการเปลี่ยนแปลงความร้อนของปฏิกิริยาและความเข้มข้นของสารตั้งต้นควบคู่ไปกับข้อเท็จจริงที่ว่าการวัดความร้อนไม่ต้องการตัวอย่างที่ชัดเจนจึงสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารที่มีอยู่ในเมทริกซ์ที่ซับซ้อนได้
- ในสาขาวิศวกรรมเคมีการวัดความร้อนจะถูกใช้ในกระบวนการด้านความปลอดภัยเช่นเดียวกับในด้านต่าง ๆ ของกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาเคมีและในหน่วยปฏิบัติการ
การใช้เครื่องวัดความร้อนด้วยไอโซเทอร์มอล
- ทำงานร่วมกันในการสร้างกลไกการทำงานของเอนไซม์เช่นเดียวกับในจลนศาสตร์ เทคนิคนี้สามารถวัดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลกำหนดความสัมพันธ์ที่มีผลผูกพันสารชีวเคมีเอนทาลปีและเอนโทรปีในสารละลายโดยไม่ต้องใช้ฉลาก
- ประเมินปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนกับโปรตีนและร่วมกับวิธีการวิเคราะห์อื่น ๆ เป็นเครื่องมือสำคัญในการบันทึกการเปลี่ยนแปลงตามโครงสร้างของโปรตีน
- มีการประยุกต์ใช้ในการถนอมอาหารและพืชผล
- สำหรับการถนอมอาหารคุณสามารถระบุการเสื่อมสภาพและอายุการเก็บได้ (กิจกรรมทางจุลชีววิทยา) คุณสามารถเปรียบเทียบประสิทธิภาพของวิธีการถนอมอาหารที่แตกต่างกันและคุณสามารถกำหนดปริมาณสารกันบูดที่เหมาะสมรวมทั้งการย่อยสลายในการควบคุมบรรจุภัณฑ์
- สำหรับพืชผักคุณสามารถศึกษาการงอกของเมล็ดได้ เมื่ออยู่ในน้ำและต่อหน้าออกซิเจนพวกมันจะปล่อยความร้อนที่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องวัดความร้อนใต้พิภพ ตรวจสอบอายุและการเก็บรักษาที่ไม่เหมาะสมของเมล็ดพันธุ์และศึกษาอัตราการเจริญเติบโตเมื่อเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ pH หรือสารเคมีต่างๆ
- ในที่สุดก็สามารถวัดกิจกรรมทางชีวภาพของดินได้ นอกจากนี้ยังสามารถตรวจโรค
การใช้เครื่องวัดความร้อนแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล
- เมื่อใช้ร่วมกับการวัดความร้อนแบบไอโซเทอร์มอลทำให้สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนกับลิแกนด์ของพวกมันปฏิกิริยาอัลโลสเตอริกการพับของโปรตีนและกลไกการทำให้คงตัว
- คุณสามารถวัดความร้อนที่ปล่อยออกมาหรือดูดซับได้โดยตรงในระหว่างเหตุการณ์พันธะโมเลกุล
-Differential scan calorimetry เป็นเครื่องมือทางอุณหพลศาสตร์สำหรับการสร้างการดูดซึมพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในตัวอย่างโดยตรง ทำให้สามารถวิเคราะห์ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับความเสถียรของโมเลกุลโปรตีน
- ยังศึกษาอุณหพลศาสตร์ของการเปลี่ยนการพับกรดนิวคลีอิก เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถกำหนดเสถียรภาพการเกิดออกซิเดชั่นของกรดไลโนเลอิกที่แยกได้และจับคู่กับไขมันอื่น ๆ
- เทคนิคนี้ถูกนำไปใช้ในการหาปริมาณของนาโนโซลิดสำหรับการใช้งานทางเภสัชกรรมและในการระบุลักษณะทางความร้อนของตัวขนส่งไขมันที่มีโครงสร้างนาโน
อ้างอิง
- Whitten, K. , Davis, R. , Peck, M. และ Stanley, G. (2008) 8th เอ็ด Cengage Learning แก้ไข
- Rehak, NN and Young, DS (1978). การประยุกต์ใช้การวัดปริมาณความร้อนในห้องปฏิบัติการทางคลินิกในอนาคต Clin เคมี. 24 (8): 1414-1419.
- Stossel, F. (1997). การประยุกต์ใช้การวัดความร้อนของปฏิกิริยาในวิศวกรรมเคมี J. Therm. ทางทวารหนัก 49 (3): 1677-1688.
- Weber, PC และ Salemme, FR (2003) การประยุกต์ใช้วิธีการวัดความสามารถในการค้นพบยาและการศึกษาปฏิกิริยาระหว่างโปรตีน ฟี้ Opin โครงสร้าง จิตเวช 13 (1): 115-121.
- Gill, P. , Moghadem, T. และ Ranjbar, B. (2010). เทคนิคการวัดความร้อนด้วยการสแกนดิฟเฟอเรนเชียล: การประยุกต์ใช้ในชีววิทยาและนาโนศาสตร์ J. Biol Tech 21 (4): 167-193.
- Omanovic-Miklicanin, E. , Manfield, I. และ Wilkins, T. (2017). การประยุกต์ใช้การวัดปริมาณความร้อนด้วยไอโซเทอร์มอลในการประเมินปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนกับอนุภาคนาโน J. Therm. ทางทวารหนัก 127: 605-613.
- สมาคมวิทยาลัยชุมชนสำหรับข้อมูลรับรองชีววิทยาศาสตร์ (7 กรกฎาคม 2557). แคลอริมิเตอร์ถ้วยกาแฟ . สืบค้นเมื่อ 7 มิถุนายน 2018 จาก: commons.wikimedia.org