کالری‌متر؛ وسیله‌ای برای اندازه‌گیری گرمای ایجاد شده در‌ طی یک واکنش مکانیکی، الکتریکی یا شیمیایی

در داروسازی از این دستگاه برای طراحی دارو، در صنایع شیمیایی برای کنترل کیفیت و در مطالعات بیولوژیکی برای بررسی میزان متابولیسم استفاده می‌شود.

نحوه‌ی کار کالری‌متر

کالری‌مترها از دو ظرف ساخته می‌شوند: بیرونی و داخلی. هوای بین این دو به‌عنوان عایق حرارت عمل می‌کند، بنابراین تبادل حرارتی بین محتویات ظرف داخلی و محیط بیرون وجود ندارد. کالری‌متر های آزمایشگاهی از یک حلقه‌ی فیبر ساخته‌شده، با مواد عایق استفاده می‌کنند تا ظرف داخلی را در مرکز ظرف بیرونی نگه دارند. یک دماسنج هم برای اندازه‌گیری دمای مایع در ظرف داخلی و یک همزن برای هم‌زدن مایع وجود دارد تا گرما را در سراسر ظرف پخش کند. اگر یک واکنش گرمازا وجود داشته باشد، واکنشی که انرژی حرارتی را از طریق گرما یا نور آزاد می‌کند، در محلول موجود در کالری‌متر، دما افزایش می‌یابد. اما وقتی یک واکنش گرماگیر وجود داشته باشد، واکنشی که انرژی حرارتی را از محیط اطراف جذب کند، گرما از بین می‌رود و دما کاهش می‌یابد. اگر دو مایع بین خود انرژی منتقل نکنند، مواد در تعادل حرارتی هستند. تفاوت دما، همراه با جرم و گرمای ویژه محلول، تعیین میزان گرمای مصرفی واکنش را ممکن می‌سازد. از تغییر دما برای محاسبه تغییر آنتالپی به‌ازای هر مول ماده A در هنگام واکنش مواد A و B استفاده می‌شود. فرمول این است:

q = Cv (Tf – Ti)

Q مقدار گرما بر حسب ژول است.
Cv ظرفیت گرمایی کالری‌سنج بر حسب ژول بر کلوین (j/K) است.
Tf دمای نهایی و Ti دمای اولیه است.

انواع کالری‌مترهای مورد استفاده در آزمایشگاه

• آدیاباتیک

کالری‌مترهای آدیاباتیک برای مطالعه واکنش‌های فرار استفاده می‌شوند. با این نوع، مقداری گرما همیشه از دست می‌رود. درنتیجه، یک ضریب تصحیح برای جبران اتلاف حرارت اعمال می‌شود.

واکنش:

در این نوع، فرآیندهای شیمیایی در یک ظرف بسته و عایق رخ می‌دهد. جریان گرما در برابر زمان برای تعیین گرمای واکنش اندازه‌گیری می‌شود. برای یافتن حداکثر گرمایی که واکنش آزاد می‌کند یا برای واکنش‌هایی که باید در دمای ثابت اجرا شوند استفاده می‌شود.

• جریان گرما

با این نوع، سیستم گرمایشی/سرمایشی دمای فرآیند فیزیکی یا دمای سیستم را کنترل می‌کند. گرمای واکنش با اندازه‌گیری اختلاف دمای بین سیال انتقال حرارت و سیال فرآیند تعیین می‌شود. قبل از یافتن پاسخ صحیح، لازم است حجم‌های پر، گرمای ویژه و ضریب انتقال حرارت را بدانید.

• تعادل حرارتی

با این نوع کالری‌متر، سیستم گرمایشی/سرمایشی دمای فرآیند را کنترل می‌کند. گرما با نظارت بر گرمای بدست آمده یا از دست‌رفته توسط سیال انتقال اندازه‌گیری می‌شود.

• جبران نیرو

این دستگاه از یک بخاری اضافه‌شده به ظرف استفاده می‌کند تا دمای آن را ثابت نگه دارد. انرژی بخاری را می‌توان بر اساس نیاز واکنش تنظیم کرد. سیگنال کالری‌متری از نیروی الکتریکی می‌آید.

• گداز ثابت

از یک کالری‌متر با تعادل حرارتی ناشی می‌شود، اما دارای یک کنترل تخصصی برای حفظ جریان ثابت گرما در سراسر دیواره ظرف است.

• کالری سنج بمبی

همچنین این دستگاه به‌عنوان یک کالری‌سنج با حجم ثابت نیز شناخته می‌شود، برای مقاومت در برابر فشاری که در نتیجه یک واکنش ایجاد شده، هنگام گرم شدن هوا در ظرف واکنش ساخته می‌شود. از تغییر دمای آب برای محاسبه گرمای احتراق استفاده می‌شود. کالری‌سنج‌های بمب اکسیژن در آزمایشگاه‌های آزمایش مواد غذایی برای تعیین میزان گرما (کالری) غذا مفید هستند.

• نوع کالوتی

این نمونه از یک سنسور گدازسنج سه‌بعدی استفاده می‌کند که از یک سری حلقه‌های ترموکوپل ساخته شده‌است. این دستگاه برای اندازه نمونه‌های بزرگتر مناسب است، زیرا امکان اندازه ظرف واکنش بزرگ‌تر را فراهم می‌کند، بدون اینکه بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارد.

• فشار ثابت

کالری‌سنج که می‌توانید در خانه درست کنید، نمونه‌ای از کالری‌سنج فشار ثابت است. تغییرات ترمودینامیکی یک محلول را تحت فشار ثابت اندازه‌گیری می‌کند.

• اسکن دیفرانسیل

با DSC، به‌طور معمول دو کفه، یک کفه نمونه و یک کفه مرجع وجود دارد. ظرف نمونه حاوی نمونه است در حالی که ظرف مرجع خالی می‌ماند. هر کفه به‌طور جداگانه با سرعت خاصی گرم می‌شود و این میزان در طول آزمایش حفظ می‌شود. یک سیستم کامپیوتری تضمین می‌کند که هر کفه با سرعت یکسانی گرم می‌شود. بخاری زیر ظرف نمونه باید سخت‌تر از ظرف مرجع خالی کار کند، به این معنی که گرمای بیشتری را خارج می‌کند. تفاوت در مقدار گرمای خروجی، در نحوه اندازه‌گیری است.

• تیتراسیون همدما

در این نوع، از گرمای واکنش برای دنبال کردن آزمایش تیتراسیون استفاده می‌شود و می‌توان نقطه میانی واکنش و آنتالپی و میل پیوندی آن را تعیین کرد. طبقه بندی داروهای بالقوه در صنعت داروسازی مفید است.

نتیجه‌گیری

کالری‌متر به‌عنوان یکی از انواع ابزارهای تحلیلی در تجهیزات آزمایشگاهی می‌تواند استفاده‌های کاربردی داشته باشد. کالری‌سنج دستگاهی است که انرژی ذرات را اندازه‌گیری می‌کند. بیشتر ذرات وارد کالری‌سنج می‌شوند و یک بارش ذرات را آغاز می‌کنند، سپس انرژی ذرات در کالری‌سنج جمع‌آوری و اندازه‌گیری می‌شود.

نویسنده: زهرا سروآزاد

منبع:

https://www.labcompare.com/Laboratory-Analytical-Instruments/17-Calorimeters/