燃燒熱的測定實驗改進

何 萍 張京京

(營口理工學院化學與材料工程系，遼寧 營口 115000)

燃燒熱是重要的熱力學數(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，還可以用來計算化學反應的反應熱和鍵能，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)典的物理化學實驗之一，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的氧彈量熱儀，儀器老舊，實用性不強，點火成功率低。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，再計算其燃燒熱，誤差較大，繁瑣費時。為了克服這些缺點，本文改用RPP-100FRL微機發(fā)熱量測定儀進行燃燒熱的測定實驗，在基礎實驗中引入了科研用儀器，大大縮短了實驗時間，提高了實驗成功率和測量結(jié)果的準確度。此外還增加了面粉發(fā)熱量的測定這一實驗步驟，有助于了解生活中主食的熱量，拓展了該實驗的應用性。

1 實驗原理

燃燒熱是指一摩爾物質(zhì)完全燃燒時所放出的熱量。對于無法確定相對分子質(zhì)量的混合物，其單位質(zhì)量完全燃燒時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中，在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)燃燒，熱量計的熱容量通過在相近條件下燃燒一定量的基準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，并對點火熱等附加熱進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)生化反應釋放熱量的衡量依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 儀器和試劑

RPP-100FRL微機發(fā)熱量測定儀；壓片機；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 改進的實驗步驟

(1)取燃燒絲和棉線各一根在分析天平上準確稱重。用臺秤稱取約1.2 g苯甲酸于壓片機中壓片，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)自動進水，進水時間設置為22 s，進水結(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渣存在，則應重做實驗。找出未燒完的燃燒絲稱重，計算實際燃燒消耗量。

(5)臺秤稱取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，重復上述步驟，分別測出萘的燃燒熱和面粉的發(fā)熱量。

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 苯甲酸的熱容量

用苯甲酸標定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次苯甲酸標定熱容量得出測試結(jié)果，其相對標準偏差為0.12 %，符合不大于0.20 %的要求[3]，精確的熱容量標定是確保準確測量發(fā)熱量的基礎。由于外筒水和室溫之間、內(nèi)筒與外筒之間實際存在著熱交換，在恒溫式量熱系統(tǒng)中，建立發(fā)熱量計算數(shù)學模型時引入冷卻系數(shù)K和綜合常數(shù)A，K和A可通過對儀器進行標定計算得出，3次標定計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 苯甲酸標定系統(tǒng)常數(shù)的實驗數(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燃燒熱實驗裝置測量萘的燃燒熱作為對比，改進后萘的實驗數(shù)據(jù)和面粉的發(fā)熱量均由RPP-100FRL微機發(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計算。根據(jù)文獻，在25 ℃，標準大氣壓下，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相對誤差為5.65%，改進后Qp的相對誤差為0.03%，改進后的方法準確度明顯提高，非常接近文獻值。這是由于RPP-100FRL微機發(fā)熱量測定儀溫度分辨率達到0.000 1 ℃，過去使用的SHR-15A燃燒熱實驗裝置溫差分辨率僅為0.001 ℃。微機發(fā)熱量測定儀還有內(nèi)筒自動進水，內(nèi)筒采用片狀漿葉的電動攪拌，外筒采用潛水循環(huán)泵攪拌的優(yōu)點，消除了人為操作帶來的誤差，水溫更均勻。此外，發(fā)熱量測定儀使用計算機自動繪圖，建立發(fā)熱量計算數(shù)學模型時引入冷卻系數(shù)K和綜合常數(shù)A，自動修正熱交換引起的計算誤差，省略了手動繪制雷諾溫度校正曲線過程，這些都會使測量結(jié)果更準確。

傳統(tǒng)方法點火成功率低，點火成功率只在50%左右，耗時長，每次實驗長達4 h，改用微機發(fā)熱量測定儀后，儀器高度自動化，自動點火，并且使用棉線引燃，點火成功率接近100%，2 h即可完成實驗任務。

使用RPP-100FRL微機發(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，需要進行一些必要的校正，例如：對于一些動物食品，科學研究人員分別測量食物的熱值(輸入熱量)以及動物糞便的熱值(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微機發(fā)熱量測定儀應用在燃燒熱的測定實驗中，不僅大幅度提高了實驗的準確度和成功率，還可以增加如食品熱值，煤炭和石油發(fā)熱量的測定等實際應用非常廣泛的實驗環(huán)節(jié)。這一實驗改進拓展了學生的知識面，開拓了科學視野，強化了本科生在儀器操作和儀器應用方面的能力[5]。然而，科研儀器在地方高校屬于稀缺資源，價格昂貴，設備臺套數(shù)少，很難保證在基礎教學中學生人手一套，如何在實施大面積的本科教學時保證每名學生的上機時間成為了以后研究的重點。

[1] 蘇小輝，潘湛昌. 燃燒熱測定實驗的改進[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：中國標準出版社，2009.

[3] 李英華. 煤質(zhì)分析應用技術(shù)指南[M]. 北京：中國標準出版社，2009.

[4] 復旦大學，等. 物理化學實驗[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基礎實驗教學改革與創(chuàng)新[J]. 中國大學教學. 2016(4)：81～84.