氧弹法测定食物的能量值(热值)
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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)