熱量計は、化学反応の熱、または氷が溶けて液体の水になるなどの物理的変化を測定します。 反応熱は、化学反応の熱力学を理解し、どのような反応が自発的に起こるかを予測するために重要です。 基本的な熱量計は非常に簡単に作成できます。必要なのは、発泡スチロールのコーヒーカップ、蓋、温度計だけです。 ただし、熱量計を使用する前に、熱量計を校正して、熱量計の定数を決定する必要があります。 デバイスの熱量計定数を見つけるには、以下に概説する手順に従います。
白衣、ゴーグル、手袋を着用してください。
一方の発泡スチロールのコーヒーカップをもう一方のカップに挿入し、蓋を取り付けて、コーヒーカップの熱量計を組み立てます。 簡単に思えるかもしれませんが、適切に校正されていれば、このコーヒーカップ熱量計は反応熱を見つけるのに驚くほど役立ちます。
メスシリンダーを使用して約50mLの冷水を測定します。 この段階で正確である必要はありません。
空のコーヒーカップ熱量計の重量を0.01グラム単位で測定します（またはできるだけ近くに）。 次に、50 mLの冷水を追加し、蓋を元に戻し、熱量計の重量を再測定します。 空の重量と完全な重量の違いは、冷水の重量です。 この値を（0.01グラム単位で）記録します。
ビーカーの重さを量り、その重さを記録します（0.01グラム単位で）。 約50mLの水を追加し、ビーカーの重さを量り直します。 空の重りと完全な重さの違いは、お湯の重さです。 この値を（0.01グラム単位で）記録します。
リングスタンドとクランプを使用して、ビーカーを固定し、ブンゼンバーナーの上の金網の上に立つようにします。 金網は炎がガラスに直接触れるのを防ぎます。 2つの温度計の1つをビーカーに配置し、クランプを使用して固定し、ビーカーの底に触れないように水に吊るします。
ブンゼンバーナーに火をつけ、お湯を約80℃にやさしく加熱します。 急速に加熱して沸騰させるよりも、ゆっくりと加熱する方が良いです。
ふたを通して熱量計に2番目の温度計を挿入します。 熱量計内の水を4分間攪拌し、1分間隔で0.1℃に最も近い温度を記録します。 温度はほぼ一定に保たれる必要があります。 そうでない場合は、冷水を少なくとも2分以上置いておきます。
5分前にブンゼンバーナーをまだオフにしていない場合はオフにし、お湯と冷水の温度を記録します。 熱量計にすべてのお湯をすばやく注意深く注ぎ、蓋を元に戻し、温度計で攪拌を再開します。
合計5分が経過するまで、30秒間隔で熱量計の温度を測定して記録します。
Excelまたは別のスプレッドシートプログラムを開きます。 X値として時間を入力し、Y値として温度を入力して、データをグラフ化します。 スプレッドシートプログラムを使用して、お湯を追加した後、データに最適な線を見つけます。 お湯を追加する前のデータポイントを最適なラインに含めないでください。 トレンドラインは線形である必要があります。
グラフから最適な線を書き留めます。 xに5分を接続し、y（5分での外挿温度）を計算します。 これを外挿温度Tfと呼びます。
熱量計に追加する直前のお湯の温度からTfを引きます。 これにより、お湯の温度が変化します。 Thに4.184とお湯の質量を掛けて、お湯がジュールで失ったエネルギー量を求めます。
Tfから冷水の温度を引きます。 これにより、冷水の温度変化であるTcが得られます。 冷水の質量と4.184を掛けて、冷水によって得られるエネルギー量をジュールで求めます。
温水によって失われたエネルギーから冷水によって得られたエネルギーを引きます。 これにより、熱量計によって得られるエネルギー量がわかります。
熱量計で得られたエネルギーをTc（冷水の温度変化）で割ります。 この最終的な答えは、熱量計の定数です。
必要なもの
- コーヒーカップ熱量計
- 2つの温度計
- ブンゼンバーナー
- ライター
- 150mLビーカーを乾燥させます
- 規模
- メスシリンダー
- ExcelやOpenOfficeなどのスプレッドシートプログラム
- 水
- リングスタンド
- クランプ
- ワイヤーガーゼメッシュ
- 電卓
- 白衣
- ゴーグル
- 手袋
チップ
熱量計の定数が負になることはありません。負の場合は、間違いを犯しています... エラーを減らすために、複数の試行を実行し、それらの試行の結果を平均してみてください。 最終平均の不確かさは、標準偏差のプラスマイナス2倍になります。
警告
直火で作業するときは、常に細心の注意を払ってください。 髪の毛、衣服、または可燃物を火に近づけないでください。 バーナーが使用されなくなったら消火します。 お湯を扱うときは細心の注意を払ってください。 80℃の水を皮膚にこぼすと、やけどややけどの原因となることがあります。