المحاضرة السادسة / المسعر الحراري / الكيميائ

المسعر الحراري (Calorimeter)

مقدمة

يُعد المسعر الحراري أداة أساسية في الكيمياء والفيزياء الحرارية، حيث يُستخدم لقياس كمية الحرارة المتبادلة خلال التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الفيزيائية، مثل الذوبان أو التبخر أو التغير في درجة الحرارة.
يُمكّن المسعر العلماء من دراسة حرارة التفاعل (ΔH) بدقة، مما يتيح لهم فهم خصائص المواد وسلوكها الحراري.

تعريف المسعر الحراري

المسعر الحراري هو جهاز يُستخدم لقياس كمية الحرارة الممتصة أو المنطلقة في تفاعل كيميائي أو عملية فيزيائية.
يعتمد على مبدأ أن الحرارة المفقودة من جسم = الحرارة المكتسبة من جسم آخر، في نظام معزول حراريًا.

مبدأ عمل المسعر

يُبنى مبدأ عمل المسعر على القانون التالي:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$$

حيث:

• $Q$: كمية الحرارة (جول)
• $m$: كتلة المادة (غرام)
• $c$: الحرارة النوعية (J/g°C)
• $\Delta T$: التغير في درجة الحرارة (°C)

يتم وضع المادة أو التفاعل داخل المسعر، وتُقاس درجة حرارة الوسط (غالبًا الماء) قبل وبعد التفاعل، ومن الفرق تُحسب كمية الحرارة.

أنواع المسعرات الحرارية

1. المسعر البسيط (المدرسي):

• يحتوي على كأس من الألومنيوم أو البلاستيك داخل عازل حراري.
• يُستخدم في التجارب المدرسية لقياس حرارة تفاعلات بسيطة.

2. المسعر القنيني (Bomb Calorimeter):

• يُستخدم لقياس حرارة الاحتراق بدقة عالية.
• يتكون من غرفة معدنية محكمة تُعبّأ بالأكسجين، يوضع فيها العيّنة وتحترق بالكامل.
• يُقاس التغير في درجة حرارة الماء المحيط بها.
• يُستخدم في الصناعات، وعلوم الغذاء، وتحليل الوقود.

3. المسعر التفاضلي (Differential Scanning Calorimeter – DSC):

• يُستخدم لقياس التغيرات الحرارية الدقيقة في المواد الصلبة (مثل البوليمرات).
• يقيس الفروق في الحرارة بين عينة ومادة مرجعية.

تطبيقات المسعر الحراري

1. في الكيمياء:
   • قياس حرارة التفاعلات الكيميائية (طاردة أو ماصة).
   • تحديد حرارة التكوين أو الاحتراق.
2. في علوم الغذاء:
   • قياس السعرات الحرارية للمواد الغذائية.
3. في الأبحاث والصناعات:
   • تحليل خصائص الوقود.
   • اختبار المواد الإنشائية تحت ظروف حرارية.
   • دراسة التغيرات الفيزيائية للمواد (مثل الذوبان أو التبلور).
4. في الطب والبيئة:
   • دراسة الأدوية وسلوكها تحت تأثير الحرارة.
   • تحليل العمليات البيولوجية.

أهمية المسعر

• يُوفر قياسات دقيقة لكمية الطاقة الحرارية.
• أداة حيوية لفهم العمليات الديناميكية الحرارية في الطبيعة والمختبر.
• يُستخدم في التعليم والتدريب العملي للطلاب لتطبيق قوانين الطاقة والحرارة.

مثال عملي بسيط:

سؤال:
تم وضع قطعة معدن كتلتها 50 غرام في ماء داخل مسعر، فارتفعت درجة حرارة الماء من 25°C إلى 35°C. احسب كمية الحرارة الممتصة إذا علمت أن الحرارة النوعية للمعدن 0.9 J/g°C.

الحل:

$$Q = m \cdot c \cdot \Delta T = 50 \cdot 0.9 \cdot (35 – 25) = 50 \cdot 0.9 \cdot 10 = 450 \, \text{جول}$$

ملخص

• المسعر الحراري جهاز مهم لقياس التغيرات الحرارية.
• يعتمد على حساب كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة.
• يُستخدم في مجالات كثيرة من التعليم إلى الصناعات.
• من خلاله يمكن فهم طبيعة التفاعلات والتغيرات الفيزيائية بدقة.