燃燒熱的測定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

何 萍 張京京

(營口理工學(xué)院化學(xué)與材料工程系，遼寧 營口 115000)

燃燒熱是重要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)之一，燃燒熱值給能量的合理利用提供可靠的數(shù)據(jù)支持，還可以用來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱和鍵能，求算化合物的生成熱等，食品的發(fā)熱量也可從它們的燃燒熱求得[1]。因此，燃燒熱的測定是經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，也是科研和工業(yè)測定的重要手段。傳統(tǒng)的燃燒熱的測定一般采用手動(dòng)的氧彈量熱儀，儀器老舊，實(shí)用性不強(qiáng)，點(diǎn)火成功率低。數(shù)據(jù)處理常先用手工繪制雷諾溫度校正圖，得到樣品燃燒前后系統(tǒng)溫度的變化值△T，再計(jì)算其燃燒熱，誤差較大，繁瑣費(fèi)時(shí)。為了克服這些缺點(diǎn)，本文改用RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀進(jìn)行燃燒熱的測定實(shí)驗(yàn)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中引入了科研用儀器，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)成功率和測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外還增加了面粉發(fā)熱量的測定這一實(shí)驗(yàn)步驟，有助于了解生活中主食的熱量，拓展了該實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

燃燒熱是指一摩爾物質(zhì)完全燃燒時(shí)所放出的熱量。對(duì)于無法確定相對(duì)分子質(zhì)量的混合物，其單位質(zhì)量完全燃燒時(shí)所放出的熱量被稱為發(fā)熱量。燃燒熱和發(fā)熱量測定的基本原理都是能力守恒定律。一定量的分析試樣放入氧彈熱量計(jì)中，在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，熱量計(jì)的熱容量通過在相近條件下燃燒一定量的基準(zhǔn)量熱物苯甲酸來確定，根據(jù)試樣燃燒前后量熱系統(tǒng)產(chǎn)生的溫升，并對(duì)點(diǎn)火熱等附加熱進(jìn)行校正后即可求得試樣的彈筒發(fā)熱量[2]。

人體所需熱量的來源是食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)。雖然有機(jī)體氧化的方式與氧彈量熱儀有所不同，但是食物完全分解所釋放出的總熱量卻是相同的，用量熱儀測食物所含的熱量，可作為食用后體內(nèi)生化反應(yīng)釋放熱量的衡量依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和試劑

RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀；壓片機(jī)；充氧器；氧氣鋼瓶；燃燒絲；棉線；苯甲酸(A.R.)，70 ℃烘箱干燥4 h；萘(A.R.)；面粉(市售)。

2.2 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)步驟

(1)取燃燒絲和棉線各一根在分析天平上準(zhǔn)確稱重。用臺(tái)秤稱取約1.2 g苯甲酸于壓片機(jī)中壓片，用鑷子在干凈的稱量紙上輕擊2、3次，除去表面粉末后再用分析天平精確稱量，稱量后將樣品放入坩堝中。

(2)旋開氧彈蓋，放在專用架上，裝好坩堝，棉線綁在燃燒絲中間，將燃燒絲兩端分別接在電極柱上，將棉線壓在苯甲酸下方。往氧彈中加入10 mL蒸餾水，旋緊氧彈蓋，使用充氧儀往氧彈中緩緩充入氧氣，直到壓力到2.8～3.0 MPa，充氧時(shí)間不得少于半min。

(3)將氧彈放入內(nèi)筒中，將量熱儀上蓋蓋好，選擇熱容量測定模式，輸入苯甲酸質(zhì)量、熱值以及燃燒絲和棉線的附加熱值，單擊軟件“開始”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)水，進(jìn)水時(shí)間設(shè)置為22 s，進(jìn)水結(jié)束后，若無氣泡逸出，則氧彈不漏氣，開始測試熱容量，一共測量五次，測試結(jié)束后，將三次結(jié)果的平均值填入系統(tǒng)參數(shù)中。

(4)測量結(jié)束后，取出氧彈，開啟放氣閥放出余氣，觀察樣品燃燒是否完全，如果有燃燒不完全或黑色殘?jiān)嬖冢瑒t應(yīng)重做實(shí)驗(yàn)。找出未燒完的燃燒絲稱重，計(jì)算實(shí)際燃燒消耗量。

(5)臺(tái)秤稱取1.2 g萘和面粉，壓片，選擇發(fā)熱量測定模式，輸入萘和面粉質(zhì)量，重復(fù)上述步驟，分別測出萘的燃燒熱和面粉的發(fā)熱量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 苯甲酸的熱容量

用苯甲酸標(biāo)定3次系統(tǒng)常數(shù)以及系統(tǒng)常數(shù)平均值的數(shù)據(jù)見表1。

表1中列出了3次苯甲酸標(biāo)定熱容量得出測試結(jié)果，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12 %，符合不大于0.20 %的要求[3]，精確的熱容量標(biāo)定是確保準(zhǔn)確測量發(fā)熱量的基礎(chǔ)。由于外筒水和室溫之間、內(nèi)筒與外筒之間實(shí)際存在著熱交換，在恒溫式量熱系統(tǒng)中，建立發(fā)熱量計(jì)算數(shù)學(xué)模型時(shí)引入冷卻系數(shù)K和綜合常數(shù)A，K和A可通過對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算得出，3次標(biāo)定計(jì)算后的平均值分別為0.000 55和0.000 64。冷卻系數(shù)和綜合常數(shù)的引入可以校正由熱交換引起的計(jì)算誤差，保證了測量數(shù)據(jù)的有效性和精確性。

表1 苯甲酸標(biāo)定系統(tǒng)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 System constants of using benzoicacid to calibrate the heat capacity

3.2 萘的燃燒熱和面粉發(fā)熱量的測定

傳統(tǒng)方法是指在相同條件下使用SHR-15A燃燒熱實(shí)驗(yàn)裝置測量萘的燃燒熱作為對(duì)比，改進(jìn)后萘的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和面粉的發(fā)熱量均由RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀測得，結(jié)果見表2。

表2 萘的燃燒熱和面粉發(fā)熱量的測定Table 2 Combustion heat of naphthaleneand calorific value of flour

氧彈量熱儀是使物質(zhì)在充滿高壓氧氣的氧彈中燃燒，直接測出的是恒容燃燒熱Qv，恒壓燃燒熱Qp可以根據(jù)公式Qp=Qv+ △nRT計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)，在25 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，萘的恒壓燃燒熱是5153.8 kJ/mol[4]。傳統(tǒng)方法測得的恒壓燃燒熱Qp相對(duì)誤差為5.65%，改進(jìn)后Qp的相對(duì)誤差為0.03%，改進(jìn)后的方法準(zhǔn)確度明顯提高，非常接近文獻(xiàn)值。這是由于RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀溫度分辨率達(dá)到0.000 1 ℃，過去使用的SHR-15A燃燒熱實(shí)驗(yàn)裝置溫差分辨率僅為0.001 ℃。微機(jī)發(fā)熱量測定儀還有內(nèi)筒自動(dòng)進(jìn)水，內(nèi)筒采用片狀漿葉的電動(dòng)攪拌，外筒采用潛水循環(huán)泵攪拌的優(yōu)點(diǎn)，消除了人為操作帶來的誤差，水溫更均勻。此外，發(fā)熱量測定儀使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖，建立發(fā)熱量計(jì)算數(shù)學(xué)模型時(shí)引入冷卻系數(shù)K和綜合常數(shù)A，自動(dòng)修正熱交換引起的計(jì)算誤差，省略了手動(dòng)繪制雷諾溫度校正曲線過程，這些都會(huì)使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。

傳統(tǒng)方法點(diǎn)火成功率低，點(diǎn)火成功率只在50%左右，耗時(shí)長，每次實(shí)驗(yàn)長達(dá)4 h，改用微機(jī)發(fā)熱量測定儀后，儀器高度自動(dòng)化，自動(dòng)點(diǎn)火，并且使用棉線引燃，點(diǎn)火成功率接近100%，2 h即可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

使用RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀測出面粉的發(fā)熱量為16606.3 J/g。該熱值是食品的物理熱值，表征了食品的總熱值，即組成食物的所有元素被燃燒和氧化，其中：氫氧生成水，碳生成二氧化碳，氮氧生成硝酸，礦物質(zhì)被氧化等。由于人體不能像氧彈一樣燃燒食物，因此測量結(jié)果是偏高的。碳水化合物和脂肪在體外燃燒或體內(nèi)氧化最終產(chǎn)物都是二氧化碳和水，在體內(nèi)氧化釋放的熱量與體外燃燒基本相同。然而，對(duì)于蛋白質(zhì)來說，體內(nèi)無法氧化N元素，在人體中N原子與H原子組合形成尿素(NH2CONH2)，不如體外燃燒徹底，所釋放的熱量小于體外燃燒。人體消化吸收的效率也會(huì)影響食物營養(yǎng)元素最終產(chǎn)生的熱量。為了得到食品的生理熱值，需要進(jìn)行一些必要的校正，例如：對(duì)于一些動(dòng)物食品，科學(xué)研究人員分別測量食物的熱值(輸入熱量)以及動(dòng)物糞便的熱值(排除熱量)。這樣，就可以確定某種食物的有效熱值。

4 結(jié) 論

將RPP-100FRL微機(jī)發(fā)熱量測定儀應(yīng)用在燃燒熱的測定實(shí)驗(yàn)中，不僅大幅度提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和成功率，還可以增加如食品熱值，煤炭和石油發(fā)熱量的測定等實(shí)際應(yīng)用非常廣泛的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這一實(shí)驗(yàn)改進(jìn)拓展了學(xué)生的知識(shí)面，開拓了科學(xué)視野，強(qiáng)化了本科生在儀器操作和儀器應(yīng)用方面的能力[5]。然而，科研儀器在地方高校屬于稀缺資源，價(jià)格昂貴，設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，很難保證在基礎(chǔ)教學(xué)中學(xué)生人手一套，如何在實(shí)施大面積的本科教學(xué)時(shí)保證每名學(xué)生的上機(jī)時(shí)間成為了以后研究的重點(diǎn)。

[1] 蘇小輝，潘湛昌. 燃燒熱測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備. 2009(2)：91.

[2] GB/T 213-2008. 煤的發(fā)熱量測定方法 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 李英華. 煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 復(fù)旦大學(xué)，等. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[5] 王曉崗，郝志顯，許新華，等. 以大型儀器為依托的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J]. 中國大學(xué)教學(xué). 2016(4)：81～84.