氧弹法测定食物的能量值(热值)

实验二 氧弹法测定食物的能量值（热值）
一.实验目的
应用热力学第一定律来测定一些物质的（如食物）的能量值。

（工业上称为热值，或燃烧值，即单位质量物质完全燃烧后所放出的热量） 二.实验原理
将已知量的样品（如苯甲酸或食物样品）置于密封容器（氧弹）中，通入氧气，点火使之完全燃烧，燃料所放出的热量传给周围的水，根据水温升高度数计算出样品能量值，即热值。

测定时，除样品外，点火丝燃烧，热量计本身（包括氧弹、温度计、搅拌器和外壳等）也吸收热量；此外量热计还向周围散失部分热量，这些计算时都应考虑加以修正。

热量计系统在实验在条件下，温度升高1℃所需要的能量称为热量计的热容量。

测定之前，先使已知发热量的苯甲酸（量热计标准物质、热值为26466J/g ）在氧弹内燃烧，标定热量计的热容C th 。

测定时，再将被测样品置于氧弹中燃烧，如测得温度升高T ∆，则燃烧总效应为T C th ∆。

再经进一步修正计算出燃料的热值。

理论计算原理：
根据热力学第一定律，
B .elect out in 12Q W E E E E -=-=-
(1)
E 2 和E 1 是系统（将内筒内的水及氧弹作为系统）初始时和燃烧后的总能量, W elect 为输入的电功（点火时输入的电功），Q B 系统释放到外界的热量，忽略动能势能的变化：
B w f s U U U U U E E E ∆+∆+∆+∆=∆=-=∆12
(2)
U 为内能
下角标分别为： s = 测试样品 f = 点火丝 w = 氧弹周围的水（即内筒内的水） B = 氧弹本身 Δ = (末态– 初态) 1 = 初态 2 = 末态
代入热力学第一定律
B .elect B w f s Q W U U U U -=∆+∆+∆+∆
(3)
整理得：
.elect f s B B w W U U Q U U +∆-∆-=+∆+∆
(4)
∙
w U ∆ ： 内筒内水内能的升高量，w U ∆= ()21W w v M C T T -，C vw 是水的比热容
∙
B U ∆：氧弹本身内能的升高量，B U ∆ = ()21B B v M
C T T -，C vB 是氧弹本身的比
热容
∙
B Q ：释放到外界的热量，B Q 与温度升高成正比，因此()⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-12
B T T Q 近似为常数。

∙
s U -∆：燃烧时从样品释放的总能量（即样品内能的减少量），s U -∆ = s s e M ；s e = 单位质量样品的“能量值”，即样品的热值
∙
f f f U L e -∆=：燃烧时从点火丝释放的总能量。

f e 是单位长度点火丝的能量值，
f L is 是点火丝燃烧消耗的真实长度，即为燃烧前后点火丝的长度之差。

∙ W elect. ：点火时所需要输入的电功，与点火丝的消耗长度成正比，W elect =f f w L
公式（4）变为：
()()()()2121equiv f
th
B v v s s f f f w B T e
C Q M c M c T T M e L e w T T ∆⎡⎤
⎡⎤++-=++⎢⎥⎣⎦-⎣⎦ (5)
等式左边方括号里的项近似为常数，为热量计的热容量C th ；等式右边方括号内表示点火丝单位长度能量当量f equiv e
f
th s s f equiv C T M e L e ∆=+ (6)
f
s s f equiv th M e L e C T
+=
∆ (7)
以下两步实验二选一
1、 热量计的热容量C th 值的计算：
以标准物质苯甲酸作为样品，
f
s s f equiv th M e L e C T
+=
∆
式中：th C ——热量计的热容量，J/℃（或J/K ）；
s e ——苯甲酸样品（量热计标准物质样品）的热值为26466J/g ； s M ——苯甲酸样品的净质量，g ；
f L ——点火丝燃烧消耗的真实长度（初始长度减去燃烧后剩余长度），cm
f equiv e ——点火丝单位长度能量当量，J/cm
在本实验中，f
f equiv L e 约等于40±0.5 J
T ∆——燃烧前后系统温度的升高，θ--=∆)(0T T T n ，℃
n 0T 和T ——主期初温和末温，℃；
)()(21b c a b n n r n n r -+-=θ，为温度修正值。

其中：21r r 和——分别是初期和末期的平均温度变化率，从曲线图上看是初期和末期线的斜率，℃/次；n a ，n b ，n c 分别是对于特殊温度点的读数次数。

（具体见 五．数据记录及整理中的作图部分）
2、计算食物样品燃烧的氧弹热值（热量计的热容量C th 在上一步通过苯甲酸实验已标定，若没有标定实验，可以将C th 设为14400～14500J/K ）：
f
th f equiv fs fs
C T L e e M ∆-=
（8）
式中：fs e ——食物样品的热值（单位质量的能量值），KJ/Kg ；
fs M ——食物样品质量，g ；
其他符号同上式。

三.实验装置
本实验采用XRY-1A 型数显氧弹热量计，其构造见图1，氧弹的构造见图2。

图1 氧弹热量计构造图
1.玻璃管温度计
2.搅拌电机
3.温度传感器
4.翻盖手柄
5.手动搅拌柄
6.氧弹体
7.控制面板
图2 氧弹构造图
四.实验方法与步骤
1．实验准备
（1）准备
用压饼机准备样品，再使用高精度天平测量其质量M s。

（2）点火丝
准备直径约0.1mm镍铬丝，测量其长度（取长60-80mm）.
（3）氧气
准备纯度为99.5%的工业氧气用于氧弹内，禁止使用电解氧。

2.操作步骤
（1）先将热量计外筒装满水（与室温相差不超过0.5℃的水），试验前用外筒搅拌器（手拉式）将外筒水温搅拌均匀。

（2）称取样品（质量M s）放入坩埚中。

（3）把氧弹的弹头放在弹头架上,将盛有样品的坩埚固定在坩埚架上，将1根点火丝的两端固定在两个电极柱上，并让其与试样有良好的接触(点火丝与坩埚壁不能相碰)，然后，在氧弹中加入10毫升蒸馏水，拧紧氧弹盖，并用进气管缓慢地充入氧气直至弹内压力为2.4-2.8MPa 大气压为止，氧弹不应漏气。

（4）把上述氧弹放入内筒中的氧弹座架上,再向内筒中加入约3000 克(称准至0.5克)
蒸馏水(温度已调至比外筒低0.2～0.5℃左右)，水面应至氧弹进气阀螺帽高度的约2/3处，每次用水量应相同。

（5）接上点火导线，并连好控制箱上的所有电路导线，盖上胶木盖，将测温传感器插入内筒，打开电源和搅拌开关，仪器开始显示内筒水温，每隔半分钟蜂鸣器报时一次，实验开始读数。

（6）实验读数
实验读数分为三期:初期,主期和末期,三个期互相衔接.
初期（pre-period）:由读数开始至点火为初期,用以记录和观察周围环境与量热计在实验开始温度下热交换的关系,以求得散热校正值.初期内半分钟记录温度一次,直至得到10个读数为止.
主期（上升期，rise period）:从第10个读数开始（即为主期初温T0）,在此阶段样品所放出的热量传给水和量热计,并使量热计设备的各部分温度达到平衡.
当记下第10次读数时，同时按“点火”键，点火指示灯亮,随之在1～2秒内熄灭表示点火完毕,测量次数自动复零。

以后每隔半分钟贮存测温数据共31个。

初期最后一个温度读数作为主期第一个温度读数T0，主期第一个开始下降的温度读数作为主期末温T n。

末期（post period）:这一阶段的目的与初期相同,是为了观察实验终了温度下热交换的关系.主期的最后一个温度读数T n作为末期的第一个读数,此后仍每半分钟读取一次温度读数,至第11次读数,末期结束, 读数也结束，按“结束”键表示结束试验。

（7）关闭搅拌开关和电源开关，拔出测温传感器探头，打开热量计盖（注意：先拿出传感器，再打开水筒盖）, 取出氧弹并擦干。

用放气阀小心放掉氧弹内的氧气，(切不可先拧开氧弹盖),放出废气,响声停止后再拧开盖,检查弹内与弹盖, 若有试样燃烧完全，试验有效，取出未烧完的点火丝称重。

若有试样燃烧不完全，则此次试验作废。

（8）将内筒的水倒掉，用蒸馏水洗涤氧弹内部及坩埚并擦拭干净，将弹头置于弹头架上。

五．数据记录及整理
1、数据记录
实验设备名称：氧弹热量计设备编号：
室温：℃实验温度：℃
Ni-Cr合金丝长：cm 剩余Ni-Cr合金丝长：cm
试样质量：g
Table 1 Temperature data（℃）（表1 测温实验记录表（℃））
2.作图
将数据做成温度上升曲线图，纵坐标为温度，横坐标为时间或读数次数（温度是每隔30秒记录一次）。

并通过曲线图求出燃烧前后真实的温度差，即修正后的温度差ΔT 。

如图所示为曲线图示例（该例子是以时间为横坐标），a 点温度为T 0, n a 为相应读数次数；c 点温度为T n ，n c 为相应读数次数，b 点温度为上升期（主期）内上升到a-c 间总温度上升值的60%时的温度，n b 为相应读数次数。

21r r 和分别是初期和末期的温度变化率，从曲线图上看是初期和末期线的斜率。

一般r 1≥0, r 2≤0 。

温度修正值)()(21b c a b n n r n n r -+-=θ
修正后的温度差)()()()(2100b c a b n n n n r n n r T T T T T -----=--=∆θ
3．样品燃烧值的计算
带入公式（8）计算，并按照第一个实验介绍的误差分析法来计算相应误差。

（若是标定热量计的热容量，计算C th ，则苯甲酸燃烧值为已知，代入公式7计算）
六、注意事项
1．氧弹内使用纯度为99.5%的工业氧气，禁止使用电解氧。

2．保持仪器表面清洁干燥，不可让水流入仪器，引起电路板损坏。

尤其是 外筒不能加得过满以免搅拌时，水溢出造成电路板损坏。