Sejarah Kalorimeter

Kalorimeter adalah instrumen yang digunakan untuk mengukur jumlah panas yang diserap atau dilepaskan oleh suatu zat ketika mengalami reaksi kimia atau perubahan fisik. Secara historis, pengukuran presisi semacam itu telah membantu membuka wawasan tentang struktur molekuler dan atomik suatu zat karena pergerakan molekul dan atom dalam suatu zat secara kolektif membawa sejumlah energi panas yang khas untuk setiap jenis zat dan reaksi kimianya. Berdasarkan pengukuran kalorimetri tersebut, para ilmuwan telah mengembangkan tabel yang memberikan kapasitas panas zat-zat . Data yang dihasilkan oleh kalorimeter telah menjadi dasar pengembangan teknologi seperti ketel uap, turbin , mesin roket, mesin pembakaran internal , kilang minyak, dan pabrik produk plastik.

Bahan referensi standar yang diterima secara luas dan digunakan dalam banyak kalorimeter adalah air karena memiliki kapasitas panas yang tinggi dan terukur secara tepat, mudah digunakan, dan mudah didapatkan. Kalorimeter sederhana terdiri dari wadah air berinsulasi dengan termometer yang terpasang di dalam air. Untuk mengukur kapasitas panas timbal cair, misalnya, seorang peneliti dapat menempatkan semangkuk timbal cair di dalam kalorimeter dan mencatat penurunan suhu timbal yang mendingin dan kenaikan suhu air yang sesuai. Dengan mengetahui massa air dan timbal, peneliti akan memiliki informasi yang cukup untuk menghitung kapasitas panas timbal.

Kalorimeter hadir dalam berbagai jenis, beberapa ditujukan untuk mengukur kapasitas panas material baru (kalorimeter pemindaian diferensial), sementara yang lain mengukur berbagai aspek seperti panas yang dihasilkan oleh reaksi baru atau yang belum teruji (mikrokalorimeter isotermal), panas pembakaran dan laju pembakaran (kalorimeter laju dipercepat), dan energi partikel elementer (kalorimeter elektromagnetik dan hadronik).

Kata “kalorimeter” berasal dari kata Latin calor, yang berarti panas . Metode atau proses melakukan pengukuran tersebut disebut kalorimetri.

Perhitungan representatif

Menghitung kapasitas panas timbal cair berdasarkan data yang dikumpulkan pada contoh di atas memerlukan penggunaan rumus

Q = sm ΔT

di mana Q adalah jumlah panas, s adalah panas spesifik (kapasitas panas material dibagi dengan kapasitas panas air), m adalah massa material, dan ΔT adalah perubahan suhu. Di dalam kalorimeter, panas yang hilang oleh timbal (Q _l ) pada perkiraan pertama sama dengan panas yang diperoleh oleh air (Q _w ). Dalam hal ini, ( sm ΔT) _l harus sama dengan ( sm ΔT) _w . Karena satu-satunya besaran yang tidak diketahui di sini adalah s _l , maka dapat dihitung menurut rumus

s _l = ( sm ΔT) _w /( m ΔT) _l

Untuk mendapatkan wawasan lebih dalam tentang dinamika energi kompleks yang beroperasi bahkan dalam materi yang paling lembam dan tampak tenang sekalipun, para ilmuwan menerapkan pengukuran kalorimetri pada konsep halus entalpi , yaitu ukuran energi internal suatu sistem pada tekanan konstan. Untuk setiap zat, kandungan energi internalnya (U) yang diwujudkan dalam pergerakan komponen tingkat molekul dan atomnya secara khas bergantung tidak hanya pada suhu (T) tetapi juga pada tekanan (P) dan volume (V).

Entalpi (H) didefinisikan sebagai H = U + PV. Dengan kata lain, perubahan entalpi (ΔH) adalah jumlah panas yang dilepaskan atau diserap ketika reaksi kimia terjadi pada tekanan konstan. (Pengukuran entalpi standar sering dinyatakan dalam 1 mol zat X, yang merupakan jumlah X yang sama dengan berat molekul X yang dinyatakan dalam gram.) Untuk menemukan perubahan entalpi per mol zat cair X, misalnya, dalam reaksi dengan cairan Y, kedua cairan dicampur di dalam kalorimeter dan suhu awal dan akhir (setelah reaksi selesai) dicatat. Dengan menggunakan rumus dasar, Q = sm ΔT dan mengalikan perubahan suhu dengan massa dan kapasitas panas spesifik kedua cairan memungkinkan perhitungan lebih lanjut yang menghasilkan nilai energi yang dilepaskan selama reaksi (dengan asumsi reaksi bersifat eksotermik). Membagi perubahan energi dengan jumlah mol X yang ada akan memberikan perubahan entalpi reaksinya. Metode ini terutama digunakan dalam pengajaran akademis, karena menjelaskan teori kalorimetri. Namun, metode ini tidak memperhitungkan kehilangan panas melalui wadah atau kapasitas panas termometer dan wadah itu sendiri.

Kalorimeter reaksi

Kalorimeter reaksi mengukur energi panas yang dilepaskan atau diserap selama reaksi yang terjadi di dalam kalorimeter. Ini adalah instrumen standar yang digunakan untuk mengukur panas proses industri. Kalorimetri reaksi juga dapat digunakan untuk menentukan laju pelepasan panas maksimum dalam teknik proses kimia.

Kalorimeter bom

Kalorimeter bom adalah jenis kalorimeter reaksi yang digunakan untuk mengukur panas pembakaran dari reaksi tertentu. Kalorimeter bom harus mampu menahan tekanan dan gaya yang kuat saat reaksi diukur. Energi listrik digunakan untuk menyalakan bahan bakar. Saat bahan bakar terbakar, ia memanaskan udara di sekitarnya, yang mengembang dan keluar melalui tabung tembaga yang melewati air dalam perjalanan keluar dari kalorimeter. Perubahan suhu air yang dipanaskan oleh udara yang keluar melalui tabung tembaga memberikan pengukuran yang dibutuhkan untuk menghitung kandungan energi bahan bakar.

Pada desain kalorimeter yang lebih baru, seluruh bom, yang diberi tekanan dengan oksigen murni berlebih (biasanya sekitar 30 atm) dan berisi massa bahan bakar yang diketahui, direndam dalam volume air yang diketahui sebelum muatan (sekali lagi, secara elektrik) dinyalakan. Perubahan suhu dalam air kemudian diukur secara akurat. Kenaikan suhu ini, bersama dengan faktor bom (yang bergantung pada kapasitas panas bagian logam bom) digunakan untuk menghitung energi yang dilepaskan oleh bahan bakar yang terbakar. Koreksi kecil dilakukan untuk memperhitungkan masukan energi listrik dan sumbu yang terbakar.

Kalorimeter pemindaian diferensial

Dalam kalorimeter pemindaian diferensial (DSC), aliran panas ke dalam sampel—biasanya terdapat dalam kapsul aluminium kecil atau “wadah”—diukur secara diferensial; yaitu, dengan membandingkannya dengan aliran ke dalam wadah referensi kosong.

Pada DSC fluks panas, kedua wadah diletakkan di atas leแmpeng kecil material dengan resistansi panas yang diketahui. Suhu kalorimeter dinaikkan dengan laju pemanasan konstan, suatu tujuan yang membutuhkan desain yang baik dan kontrol suhu yang baik (terkomputerisasi). DSC fluks panas juga dapat digunakan untuk eksperimen yang membutuhkan pendinginan terkontrol atau suhu konstan.

Selama percobaan, panas mengalir ke dua wadah melalui konduksi, dengan aliran panas ke sampel lebih besar karena kapasitas panas sampel yang lebih besar. Perbedaan aliran panas ke dua wadah tersebut menyebabkan perbedaan suhu kecil di seluruh lempengan. Perbedaan suhu ini diukur menggunakan termokopel . Kapasitas panas pada prinsipnya dapat ditentukan dari sinyal ini. Kalorimetri pemindaian diferensial adalah teknik andalan di banyak bidang, khususnya dalam karakterisasi polimer .

Kalorimeter titrasi isotermal

Dalam kalorimeter titrasi isotermal, panas reaksi digunakan untuk memantau percobaan titrasi, yaitu percobaan di mana konsentrasi reagen yang tidak diketahui ditentukan dengan menggunakan konsentrasi standar reagen lain yang bereaksi secara kimia dengan reagen yang tidak diketahui tersebut. Hal ini memungkinkan penentuan titik tengah reaksi serta parameter kunci lainnya. Teknik ini semakin penting, khususnya di bidang biokimia , karena memfasilitasi penentuan pengikatan substrat ke enzim . Teknik ini umum digunakan dalam industri farmasi untuk mengkarakterisasi kandidat obat potensial.

Mikroklorimeter sinar-X

Pada tahun 1982, pendekatan baru untuk spektroskopi sinar-X non-dispersif, berdasarkan pengukuran panas dan bukan muatan, diusulkan oleh Moseley dkk. (1984). Detektor, yang merupakan dasar dari mikroklorimeter sinar-X, bekerja dengan mendeteksi pulsa panas yang dihasilkan oleh foton sinar-X ketika diserap ke dalam suatu material sebagai energi panas. Peningkatan suhu berbanding lurus dengan energi foton. Penemuan ini menggabungkan efisiensi detektor yang tinggi dengan resolusi energi yang tinggi, yang terutama dapat dicapai karena dioperasikan pada suhu rendah.

Mikrokalorimeter kriogenik ini memiliki termometer untuk mengukur perubahan suhu massa berkapasitas panas rendah yang pada prinsipnya dapat menyerap foton yang datang tidak hanya dalam rentang sinar-X, tetapi juga dalam rentang ultraviolet, tampak, atau inframerah dekat. Massa ini dihubungkan oleh penghubung lemah ke pendingin panas suhu rendah, yang menyediakan isolasi termal yang dibutuhkan agar kenaikan suhu dapat terjadi. Berdasarkan pendekatan inovatif aslinya, upaya pengembangan besar masih terus memperluas bidang mikrokalorimetri kriogenik. Wahana antariksa astronomi pertama yang membawa mikrokalorimeter kriogenik adalah observatorium sinar-X yang mengorbit Suzaku/Astro-E2 yang diluncurkan pada Juli 2005. NASA dan ESA memiliki rencana untuk misi masa depan (Constellation-X dan XEUS, masing-masing) yang akan menggunakan beberapa jenis mikrokalorimeter.

Kalorimeter partikel berenergi tinggi

Dalam fisika partikel , kalorimeter adalah komponen detektor yang mengukur energi partikel yang masuk .

Kalorimetri

Seiring dengan pengembangan dan penggunaan kalorimeter oleh para ilmuwan, bidang baru kalorimetri telah berkembang seiring dengan misi mengukur jumlah panas yang diserap atau dilepaskan ketika suatu materi mengalami perubahan keadaan fisik, kimia, atau listriknya. Sebagai bidang studi tersendiri, kalorimetri memberikan gambaran menyeluruh tentang sejarah dan berbagai jenis kalorimeter serta menyediakan cara yang berguna untuk melihat berbagai tipe kalorimeter.

“Kalorimetri tidak langsung” menghitung panas yang dihasilkan oleh organisme hidup ketika proses metabolismenya menghasilkan karbon dioksida dan nitrogen sebagai limbah. Lavoisier mencatat pada tahun 1780 bahwa produksi panas dapat diprediksi dari konsumsi oksigen oleh organisme hidup. Teori Anggaran Energi Dinamis menjelaskan mengapa prosedur ini valid. Tentu saja, panas yang dihasilkan oleh organisme hidup juga dapat diukur dengan kalorimetri langsung, di mana seluruh organisme ditempatkan di dalam kalorimeter untuk pengukuran.

Volume konstan

Kalorimetri volume konstan menggunakan kalorimeter volume konstan, membatasi sistem uji untuk tidak melakukan kerja, sehingga perolehan atau kehilangan panas yang diukur sama dengan perubahan energi internal sistem. Persamaan untuk kalorimetri volume konstan adalah:

Di mana

ΔU = perubahan energi internal

C _V = kapasitas panas sistem dengan volume V

Karena dalam kalorimetri volume konstan tekanan tidak dijaga konstan, panas yang diukur tidak mewakili perubahan entalpi .

Tekanan konstan

Kalorimetri tekanan konstan menggunakan kalorimeter tekanan konstan untuk mengukur jumlah pertukaran energi panas yang sama dengan perubahan energi internal sistem dikurangi kerja (w) yang dilakukan:

Karena dalam kalorimetri tekanan konstan, tekanan dijaga konstan, panas yang diukur mewakili perubahan entalpi:

Kami penyedia alat kesehatan dan laboratorium skala kecil dan besar…info hub 087849378899

Referensi

• Larijani, Bananshé, Colin A. Rosser, dan Rudiger Woscholski, ed. 2006. Biologi Kimia: Teknik dan Aplikasi . West Sussex, Inggris: John Wiley and Sons, Ltd. ISBN-13 978-0-470-09064-0
• Beezer, AE, ed. 1980. Mikroklorimetri Biologis . New York: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-083550-9

Besancon, Robert M., ed. 1985. Ensiklopedia Fisika, edisi ke-3. New York: Van Nostrand Reinhold Company. ISBN 0-442-25778-3