雷诺温度校正曲线——燃烧热

实验1 燃烧热的测定1. 实验目的1.1掌握氧弹量热计的使用；用氧弹量热计测定萘的燃烧热；1.2掌握氧气钢瓶的使用。

2. 实验原理称取一定量的试样置于氧弹内，并在氧弹内充入1.5 ~ 2.0MPa的氧气，然后通电点火燃烧。

燃烧时放出的热量传给水和量热器，由水温的升高（△T）即可求出试样燃烧放出的热量：Q＝K·△T式中K为整个量热体系（水和量热器）温度升高1℃所需的热量。

称为量热计的水当量。

其值由已知燃烧热的苯甲酸（标样）确定。

K ＝Q /△T式中△T应为体系完全绝热时的温升值，因而实测的△T须进行校正。

采用雷诺作图法校正温度变化值将实验测量的体系温度与时间数据作图，得曲线CAMBD，见图1，取A、B两点之间垂直于横坐标的距离的中点O作平行于横坐标的直线交曲线于M点，通过M点作垂线ab，然后将CA线和DB线外延长交ab线于E和F两点。

F点与E点的温差．即为校正后的温度升高值△T。

有时量热计绝热情况良好，燃烧后最高点不出现如图2所示，这时仍可按相同原理校正。

图 1 绝热较差时的雷诺图图2 绝热良好时的雷诺图3. 仪器与试剂3.1试剂：分析纯苯甲酸（QＶ＝26480 J·g－１）；待测样；引火丝（Ni－Cr丝，QＶ＝8.4 J·cm －１)3.2仪器：HR－15A数显型氧弹量热计一台；压片机（苯甲酸和萘各用一台）；精密贝克曼温差温度计（精确至0.01 ℃，记录数据时应记录至0.002 ℃）；台秤一台；分析天平一台。

4. 实验步骤4.1水当量的测定(1)打开控制箱预热。

(2)量取10 cm引火丝并准确称重。

(3)在台秤上粗称试样1 g ~ 1.2 g；用压片机压片，同时将燃烧丝压入。

准确称重，减去引火丝重量后即得试样重量。

注意压片前后应将压片机擦干净；苯甲酸和待测试样不能混用一台压片机。

(4)将氧弹盖放在专用架上，将点火丝两端固定在氧弹电极上点火丝切勿接触坩锅，以防短路。

(5)取少量(~2 mL)水放入氧弹中(吸收空气中的N2燃烧而成的HNO3)，盖好并拧紧弹盖,接上充气导管，慢慢旋紧减压阀螺杆，缓慢进气至表上指针为1.5 ~ 2.0 MPa。

燃烧热的测定【实验目的】1. 通过测定萘的燃烧热，掌握有关热化学实验的一般知识和技术。

2. 掌握氧弹式量热计的原理、构造及其使用方法。

3. 掌握高压钢瓶的有关知识并能正确使用。

【基本要求】1. 了解量热计（环境恒温式量热计）构造和使用方法。

2. 掌握量热法的原理3. 掌握量热法的有关技术，如用作图法校正温度（差），用标准物质标定量热计的热容量，以及测定某些物质的燃烧热。

【实验原理】燃烧焓的定义：在指定的温度和压力下，一摩尔物质完全燃烧生成指定产物的焓变，称该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作△c H m 。

本实验是在等容的条件下测定的。

等压热效应与等容热效应关系为△c H m =△c U m +△n RT△n 是燃烧反应方程式中气体物质的化学计量数, 产物取正值，反应物取负值。

燃烧热可在恒容或恒压条件下测定，又热力学第一定律可知，在不做非膨胀功时，△c U m =Q v , △c H m =Q p . 在氧弹式量热计中测定的燃烧热是Q v ,则p v Q Q nRT =+Δ在盛有水的容器中放入装有W 克样品和氧气的密闭氧弹，使样品完全燃烧，放出的热量引起体系温度的上升。

根据能量守恒原理，用温度计测量温度的改变量，由下式求得Q v 。

，()v MQ C T T W=−终始 式中，M 是样品的摩尔质量（g.mol-1）；C 为样品燃烧放热始水和仪器每升高1度所需要的热量，称为水当量(J.K-1)。

水当量的求法是用已知燃烧热的物质（本实验（1）（2）（3）用苯甲酸）放在量热计中，测定和T 始和T 终，然后可测得萘的燃烧焓。

【仪器试剂】氧弹式量热计1套；氧气钢瓶(带氧气表)； 台称1只；电子天平1台(0.0001g)。

苯甲酸(A.R)； 萘(A.R)；燃烧丝；棉线。

【实验步骤】 用环境恒温式量热计1. 水当量的测定：(1) 仪器预热 将量热计及其全部附件清理干净， 将有关仪器通电预热。

(2) 样品压片 在电子台秤上粗称0.9～1.0g 苯甲酸， 在压片机中压成片状；取约10cm 长的燃烧丝和棉线各一 根，分别在电子天平上准确称重；用棉线把燃烧丝绑在苯 甲酸片上，准确称重。

燃烧热的测定【摘要】本实验先用标准物质苯甲酸在氧弹式热量计中完全燃烧，将测得的结果用雷诺图法校正温度后算出氧弹式热量计的热容，然后让萘在相同的氧弹式热量计中完全燃烧，测得萘完全燃烧时引起的温差从而求得其恒容燃烧热，最后求出萘的恒压燃烧热。

【关键词】燃烧热量热法氧弹式热量计雷诺图Determination of the heat of combustion 【Abstract】In this experiment, the benzoic acid as the standard material burned completely in the oxygen bomb calorimeter, the result will be measured by Renault Graph temperature after calibration constant calculated oxygen bomb calorimeter heat capacity, and then let the naphthalene combusted in the same oxygen Bomb calorimeter completely, measure the range of temperature so as to get the constant-volume combustion heat and the constant-pressure one.Keyword:heat of combustion, calorimetry, oxygen bomb calorimeter, Renault Graph【前言】燃烧热是一摩尔的物质完全燃烧时所放出的热量。

所谓完全燃烧，即组成的反应物的各元素，在经过燃烧反应后，必须呈现本元素的最高化合价。

同时还必须指出，反应物与生成物在制定的温度下都属于标准态。

如苯甲酸在298.15K 时的燃烧反应过程为C6H5COOH （固）+O2（气）=7CO2（气）+3H2O（液）由热力学第一定律，恒容过程的热效应Q V,即ΔU。

华南师范大学实验报告燃烧热的测定一、实验目的（1）明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧烧热的差别与联系。

（2）测定萘的燃烧热，掌握量热技术基本原理。

（3）了解氧弹卡计的基本原理，掌握氧弹卡计的基本实验技术。

（4）使用雷诺校正法对温度进行校正。

二、实验原理2.1基本概念1mol物质在标准压力下完全燃烧所放出的热量，即为物质的标准摩尔燃烧焓，用表示。

若在恒容条件下，所测得的1mol物质的燃烧热则称为恒容摩表示，此时该数值亦等于这个燃烧反应过程的热力学能变尔燃烧热，用Q V，mΔr U m。

同理，在恒压条件下可得到恒压燃烧热，用Q p，m表示，此时该数值亦等于这个燃烧反应过程的摩尔焓变Δr H m。

化学反应的热效应通常用恒压热效应Δr H m来表示。

假若1mol物质在标准压力下参加燃烧反应，恒压热效应即为该有机物的标准摩尔燃烧热。

把燃烧反应中涉及的气体看做是理想气体，遵循以下关系式：Q p，m=Q V，m+（ΣV B）RT ①2.2氧弹量热计本实验采用外槽恒温式量热计，为高度抛光刚性容器，耐高压，密封性好。

量热计的内筒，包括其内部的水、氧弹及其搅拌棒等近似构成一个绝热体系。

为了尽可能将热量全部传递给体系，而不与内筒以外的部分发生热交换，量热计在设计上采取了一系列措施。

为了减少热传导，在量热计外面设置一个套壳。

内筒与外筒空气层绝热，并且设置了挡板以减少空气对流。

量热计壁高度抛光，以减少热辐射。

为了保证样品在氧弹内燃烧完全，必须往氧弹中充入高压氧气，这就要求要把粉末状样品压成片状，以免充气时或燃烧时冲散样品。

2.3量热反应测量的基本原理量热反应测量的基本原理是能量守恒定律。

通过数字式贝克曼温度计测量出燃烧反应前后的温度该表ΔT，若已知量热计的热容C，则总共产生的热量即为Q V=CΔT。

那么，此样品的摩尔恒容燃烧热为②式是最理想的情况。

但由能量守恒原理可知，此热量Q V的来源包括样品燃烧放热和点火丝放热两部分。

㊀ISSN1672-4305CN12-1352/N实㊀㊀验㊀㊀室㊀㊀科㊀㊀学LABORATORY㊀SCIENCE第23卷㊀第1期㊀2020年2月Vol.23㊀No.1㊀Feb.2020燃烧热测定 实验中温度差的控制分析胡㊀玮,张干兵(湖北大学化学化工学院,湖北武汉㊀430062)摘㊀要:分析了各版本教材对 燃烧热测定 实验中雷诺温度曲线校正方法描述的差异,指明在实验中如果内桶水温比外桶水温调低M ħ时,T 取(T 1+T 2)/2;而内桶水温比外桶水温调低1/2M ħ时,T 取环境温度进行雷诺温度曲线校正,且按照后者进行实验操作和校正时所得燃烧焓的误差相对较小㊂建议采取对内桶水先量取体积,再调节温度的改进操作,可扩大待测试样的质量范围,更有利于学生实验㊂关键词:燃烧热的测定;雷诺温度曲线;温度差;氧弹式量热计中图分类号:G482㊀㊀文献标识码:A㊀㊀doi :10.3969/j.issn.1672-4305.2020.01.008Analysis on the control of temperature difference in combustion enthalpy measurement experimentHU Wei,ZHANG Gan -bing(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)Abstract :The descriptions differences of the Reynolds temperature curve correction in textbooks forthe combustion heat measurement experiment were analyzed.It was pointed out if the water tempera-ture of inner bucket was lower than that of the outer bucket by M ħin the experiment,T was (T 1+T 2)/2for correction,while the water temperature of inner bucket was lowered by 1/2Mħcomparedto water temperature of the outer drum,the ambient temperature was adjusted to the Reynolds tempera-ture curve.Moreover,the error of the combustion enthalpy obtained during the experimental operation and calibration according to the latter method was relatively smaller.It is recommended to adopt an im-proved operation which is to measure the volume of inner barrel water and then adjust the temperature.The quality range of the sample to be tested in this improved procedure is expanded,which is more convenient for operation.Key words :combustion enthalpy measurement;Reynolds temperature curve;temperature difference;oxygen bomb calorimeter㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2018-08-11㊀㊀修改日期:2018-11-02作者简介:胡玮,博士,副教授,主要研究方向为电化学㊂E -mail:1070323675@基金项目:国家自然科学基金(项目编号:21606075);湖北大学教学研究项目(项目编号:201408020-013914)㊂㊀㊀ 燃烧热的测定 实验是大学本科化学化工专业基础物理化学实验教学的内容,也是热力学实验的经典内容,是在隔离体系中,通过测定可燃性物质在氧弹中完全燃烧所释放的热量使氧弹本身㊁周围介质和量热计有关附件的温度升高来计算燃烧热[1]㊂氧弹式量热计主要分为绝热式与环境恒温式两种类型,且以环境恒温式量热计为主㊂其量热原理基于能量守恒定律,即在盛有水的容器中,放入充氧的密闭刚性容器(氧弹),经点火使物质完全燃烧,通过测量体系(包括内水桶㊁氧弹本身㊁测温元件㊁搅拌器和水)温度的变化求算物质的恒容燃烧热Q V ㊂假设体系与环境之间无热交换时,其计算方程式如下:-nQ V ,m =CΔT ㊂其中,C 为量热计的热容(J.K -1.mol -1),ΔT 为燃烧前后的温度差(K 或ħ),n 为待测物质的摩尔数(mol)㊂但是,氧弹式量热计不可能完全绝热,体系与环境的热交换难以避免㊂因此,燃烧前后的ΔT 不能用温度计直接测胡玮,等: 燃烧热测定 实验中温度差的控制分析量的温度差值来计算,而是要经过雷诺温度曲线校正才能得到准确的温度变化㊂加上需借助电流引燃点火丝而引起物质燃烧,因此在公式中需扣除点火丝燃烧所产生的热量,从而上式改写为:-nQ V ,m -m 点火丝Q 点火丝=CΔT ,式中:m 为点火丝质量(g),Q 点火丝为点火丝的燃烧热(J /g),ΔT 为校正后的温度变化,仪器热容C 采用已知燃烧焓的标准物质(如苯甲酸)进行求算[2]㊂实验结果的误差主要来源于量热计热容的测量㊁温度差测定与试样质量测定[3-4],以前两者对误差的影响较大,而试样称重当用万分之一电子天平时可以忽略㊂尽管目前一些量热计,如上海检测技术所上立检测仪器厂生产的HWR -10/15型恒温式微机量热仪等,已经对雷诺温度校正曲线进行了自动化处理,在测量结束时便直接给出了校正后的ΔT 结果,避免了学生后续使用Origin 或者Excel 软件数据处理[5]的麻烦㊂然而从原理的角度,学生仍需要对雷诺温度校正曲线的数据处理过程进行理解㊂如南京桑力电子设备厂最新生产的SHR -15热烧热实验装置便在电脑界面上清晰的显示了雷诺温度校正过程,通过图形化界面促使操作者对实验原理及过程有详细的了解,更适合于教学㊂1㊀雷诺温度曲线校正方法雷诺温度曲线校正方法为[2,6]:将燃烧前后的温度随时间作图(如图1所示),得FHDG 曲线,其中H 为开始燃烧点,对应温度为T 1,D 点为观察到最高温度点,对应温度为T 2,平均温度为T =(T 1+T 2)/2㊂在T 温度下做横坐标的平行线交温度曲线为点l,然后经过l 点做横坐标的垂线b,然后将FH和GD 线延长交b 线为A㊁C 两点,A 点与C 点间的温度差即为所求的ΔT㊂AA 表示由于环境辐射进来的热量及搅拌引入的能量造成体系温度的升高,在校正过程中需扣除;CC 表示体系向环境辐射出及搅拌引起的温度下降,则需要补充㊂因此,AC 两点间的温度差更能准确的显示样品燃烧过程中的温度升高值ΔT ㊂有时量热计的绝热情况较好,热漏小时,也会出现图2所示情况,其校正方法依然与图1类似㊂但是,参阅各种版本的实验教材,笔者发现雷诺温度曲线校正在对T 温度点物理含义的描述上有差异,如复旦大学编及武汉大学编‘物理化学实验“等教材[2,7]中,取T 为T =(T 1+T 2)/2,但四川大学罗承源编及董超等编‘物理化学实验“教材[8-10]中,则取T 为环境温度点,因而相应的内筒水温调节方法上也产生了差异㊂在称取相同试样质量范围的条件下(估测其燃烧后可使水温升高~1ħ),有的调节内筒水温比外桶水温低1ħ左右,有的则要求低0.5ħ左右,极易使操作者产生困惑㊂因此,笔者针对这种情况,结合雷诺温度曲线校正原理,对其以上两种温度差的控制进行辨析,以达到正确处理实验数据,降低实验误差的目的㊂图1㊀体系散热时的雷诺温度曲线校正图图2㊀体系吸热时的雷诺温度曲线校正图2㊀两种温度校正方法的比较设试样(如萘)的质量一定条件下,其完全氧化后可以使3000mL 的内筒水温提高M ħ,若雷诺温度校正曲线中T 取T 1~T 2的平均温度点时(见图3曲线1),则对应于在实验过程中,调节体系即内桶的水温为比外筒水温(环境)低M ħ的情况㊂将体系水温预先调低M ħ的原因是,在环境恒温式量热计中,热漏不可避免,而待测试样燃烧后刚好可以使内桶水温提升M ħ左右,便极大程度上避免了因内外桶水温差产生的热传导,以达到正确测定燃烧过程中的温度升高值ΔT 的目的㊂而当T 取环境温度(T sur )时(见图3曲线2),实验操作时则只需将内桶水温调节至比外筒水温(环境)低1/2M ħ,此时T既是环境温度也是T 1~T 2的平均温度,二者并无冲突,且试样燃烧前因搅拌传热等原因,温度随时间升高,体系由环境得到热量;点火燃烧后由于水温可以升至高于外筒水温1/2M ħ,此时向外传出热量,因而传送的热量正负相抵,从而达到能量守恒的目的㊂13图3曲线2上蓝色 标记点即为环境温度T sur 点,其基本对应温升一半的位置,因此,有关T 点的两种物理含义在此种情况下本质上是一致的㊂但是值得注意的是,当内桶水温比外桶水温调低M ħ时,T 取(T 1+T 2)/2(图3曲线1中黑色 ∗ 所示),并不为环境温度T sur ,此时(T 1+T 2)/2与环境温度T sur 两者却不能混淆㊂随后根据公式[11]:Q p =Q v +Δn g RT ,由图3中的两种温度校正方法,计算得试样萘的燃烧焓分别为:-5143.277kJ /mol(曲线1)和-5158.142kJ /mol(曲线2),参考文献值萘的燃烧焓为-5153.8kJ /mol [12]可知,相对误差以按照曲线2所进行的雷诺温度校正方案略小㊂仔细观察发现,两种方案中试样燃烧后温度与时间的变化趋势,即图3中DG 线段略有差异㊂其中曲线2的DG 段几乎与横坐标水平,原因是尽管搅拌可造成体系温度增加的趋势,但由于此时温度高于环境温度,也会造成对外传热使体系温度随时间下降,正负相抵的结果使DG 几乎水平;曲线1的DG 线段呈吸热趋势,主要是因为燃烧后体系温度基本与环境温度相当,因温差产生的热传递较小,但搅拌引起的吸热依然存在,因而DG 段仍是吸热趋势,而且燃烧前也为吸热,因而此种情况下体系与环境的热交换相对于曲线2略大,因而测定误差略大㊂图3㊀内桶水温比外桶水温调低M ħ,T =(T 1+T 2)/2时(曲线1);内桶水温比外桶水温调低1/2M ħ,T 取环境温度T sur 时(曲线2)的雷诺温度曲线图3㊀内外筒水温差调节方式的改进此外,如图3所示例子中,当所称取的待测试样质量较小时,则燃烧前后温度变化不会很大,欲使内筒水温调节至低于外筒水温1/2M ħ,则不容易控制㊂此时并不需要重新称量更多的试样,而只需在实验步骤上稍作改进,便可以避免温度调节的繁琐㊂一般实验步骤是:首先调节好温度,然后量取3000mL 水装入内桶,此时对于温差较小时的实验,由于承装㊁转移等原因温度略有升高,极易出现内外筒温差不够甚至相等的情况,使实验条件不足以满足雷诺曲线校正㊂改进的方法为:首先量取3000mL 的水装入内桶,然后根据温度显示的外桶水温,直接用装有热水或者冰块的容器直接在内桶水中搅拌使之升温或者降温,用来代替先调好水温再装3000mL 水的方式㊂由于此时由于需要调节到的温差1/2M 并不大,该过程很快就能完成,然后马上盖上桶盖,极大程度上避免了在量取水的过程中造成的温度变化,以及较高室温的影响,使内外筒水温差控制得更准确,也增大了待测试样的称重范围,更加方便操作㊂4㊀结语基于能量转化守恒定律以及对雷诺温度曲线校正方法的分析,建议在燃烧热实验中,采用内桶水温比外桶水温调低1/2M ħ,T 取环境温度T sur 的方案,更能满足能量转化守恒定律,使测定结果更接近理论值㊂通过采取对内桶水先量取体积,再调节温度的改进方法,可扩大待测试样的质量范围,更有利于操作㊂参考文献(References ):[1]㊀林素妃,徐可可,洪琴,等.近化学专业燃烧热实验测定的绿色化改进[J].当代化工,2018,47(2):252-255.[2]㊀复旦大学编.物理化学实验[M].3版.北京:高等教育出版社,2004.[3]㊀刘生昆.物理化学实验燃烧热测定误差分析与讨论[J].延安大学学报(自然科学版),2018,5(1):56-62.[4]㊀高旭辉.燃烧热测量不确定度的评定[J].工业计量,2007,17(5):49-51.[5]㊀易均辉,龚福忠. 燃烧热的测定 的改进及用Origin 软件处理实验数据[J].化工技术与开发,2012,4(5):8-11.[6]㊀陈才荣.用微机处理 燃烧热的测定 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