燃烧热的测定实验改进

何 萍 张京京

(营口理工学院化学与材料工程系，辽宁 营口 115000)

燃烧热是重要的热力学数据之一，燃烧热值给能量的合理利用提供可靠的数据支持，还可以用来计算化学反应的反应热和键能，求算化合物的生成热等，食品的发热量也可从它们的燃烧热求得[1]。因此，燃烧热的测定是经典的物理化学实验之一，也是科研和工业测定的重要手段。传统的燃烧热的测定一般采用手动的氧弹量热仪，仪器老旧，实用性不强，点火成功率低。数据处理常先用手工绘制雷诺温度校正图，得到样品燃烧前后系统温度的变化值△T，再计算其燃烧热，误差较大，繁琐费时。为了克服这些缺点，本文改用RPP-100FRL微机发热量测定仪进行燃烧热的测定实验，在基础实验中引入了科研用仪器，大大缩短了实验时间，提高了实验成功率和测量结果的准确度。此外还增加了面粉发热量的测定这一实验步骤，有助于了解生活中主食的热量，拓展了该实验的应用性。

1 实验原理

燃烧热是指一摩尔物质完全燃烧时所放出的热量。对于无法确定相对分子质量的混合物，其单位质量完全燃烧时所放出的热量被称为发热量。燃烧热和发热量测定的基本原理都是能力守恒定律。一定量的分析试样放入氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，热量计的热容量通过在相近条件下燃烧一定量的基准量热物苯甲酸来确定，根据试样燃烧前后量热系统产生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量[2]。

人体所需热量的来源是食物中的碳水化合物、脂肪和蛋白质。虽然有机体氧化的方式与氧弹量热仪有所不同，但是食物完全分解所释放出的总热量却是相同的，用量热仪测食物所含的热量，可作为食用后体内生化反应释放热量的衡量依据。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂

RPP-100FRL微机发热量测定仪；压片机；充氧器；氧气钢瓶；燃烧丝；棉线；苯甲酸(A.R.)，70 ℃烘箱干燥4 h；萘(A.R.)；面粉(市售)。

2.2 改进的实验步骤

(1)取燃烧丝和棉线各一根在分析天平上准确称重。用台秤称取约1.2 g苯甲酸于压片机中压片，用镊子在干净的称量纸上轻击2、3次，除去表面粉末后再用分析天平精确称量，称量后将样品放入坩埚中。

(2)旋开氧弹盖，放在专用架上，装好坩埚，棉线绑在燃烧丝中间，将燃烧丝两端分别接在电极柱上，将棉线压在苯甲酸下方。往氧弹中加入10 mL蒸馏水，旋紧氧弹盖，使用充氧仪往氧弹中缓缓充入氧气，直到压力到2.8～3.0 MPa，充氧时间不得少于半min。

(3)将氧弹放入内筒中，将量热仪上盖盖好，选择热容量测定模式，输入苯甲酸质量、热值以及燃烧丝和棉线的附加热值，单击软件“开始”按钮，系统自动进水，进水时间设置为22 s，进水结束后，若无气泡逸出，则氧弹不漏气，开始测试热容量，一共测量五次，测试结束后，将三次结果的平均值填入系统参数中。

(4)测量结束后，取出氧弹，开启放气阀放出余气，观察样品燃烧是否完全，如果有燃烧不完全或黑色残渣存在，则应重做实验。找出未烧完的燃烧丝称重，计算实际燃烧消耗量。

(5)台秤称取1.2 g萘和面粉，压片，选择发热量测定模式，输入萘和面粉质量，重复上述步骤，分别测出萘的燃烧热和面粉的发热量。

3 实验结果和讨论

3.1 苯甲酸的热容量

用苯甲酸标定3次系统常数以及系统常数平均值的数据见表1。

表1中列出了3次苯甲酸标定热容量得出测试结果，其相对标准偏差为0.12 %，符合不大于0.20 %的要求[3]，精确的热容量标定是确保准确测量发热量的基础。由于外筒水和室温之间、内筒与外筒之间实际存在着热交换，在恒温式量热系统中，建立发热量计算数学模型时引入冷却系数K和综合常数A，K和A可通过对仪器进行标定计算得出，3次标定计算后的平均值分别为0.000 55和0.000 64。冷却系数和综合常数的引入可以校正由热交换引起的计算误差，保证了测量数据的有效性和精确性。

表1 苯甲酸标定系统常数的实验数据Table 1 System constants of using benzoicacid to calibrate the heat capacity

3.2 萘的燃烧热和面粉发热量的测定

传统方法是指在相同条件下使用SHR-15A燃烧热实验装置测量萘的燃烧热作为对比，改进后萘的实验数据和面粉的发热量均由RPP-100FRL微机发热量测定仪测得，结果见表2。

表2 萘的燃烧热和面粉发热量的测定Table 2 Combustion heat of naphthaleneand calorific value of flour

氧弹量热仪是使物质在充满高压氧气的氧弹中燃烧，直接测出的是恒容燃烧热Qv，恒压燃烧热Qp可以根据公式Qp=Qv+ △nRT计算。根据文献，在25 ℃，标准大气压下，萘的恒压燃烧热是5153.8 kJ/mol[4]。传统方法测得的恒压燃烧热Qp相对误差为5.65%，改进后Qp的相对误差为0.03%，改进后的方法准确度明显提高，非常接近文献值。这是由于RPP-100FRL微机发热量测定仪温度分辨率达到0.000 1 ℃，过去使用的SHR-15A燃烧热实验装置温差分辨率仅为0.001 ℃。微机发热量测定仪还有内筒自动进水，内筒采用片状浆叶的电动搅拌，外筒采用潜水循环泵搅拌的优点，消除了人为操作带来的误差，水温更均匀。此外，发热量测定仪使用计算机自动绘图，建立发热量计算数学模型时引入冷却系数K和综合常数A，自动修正热交换引起的计算误差，省略了手动绘制雷诺温度校正曲线过程，这些都会使测量结果更准确。

传统方法点火成功率低，点火成功率只在50%左右，耗时长，每次实验长达4 h，改用微机发热量测定仪后，仪器高度自动化，自动点火，并且使用棉线引燃，点火成功率接近100%，2 h即可完成实验任务。

使用RPP-100FRL微机发热量测定仪测出面粉的发热量为16606.3 J/g。该热值是食品的物理热值，表征了食品的总热值，即组成食物的所有元素被燃烧和氧化，其中：氢氧生成水，碳生成二氧化碳，氮氧生成硝酸，矿物质被氧化等。由于人体不能像氧弹一样燃烧食物，因此测量结果是偏高的。碳水化合物和脂肪在体外燃烧或体内氧化最终产物都是二氧化碳和水，在体内氧化释放的热量与体外燃烧基本相同。然而，对于蛋白质来说，体内无法氧化N元素，在人体中N原子与H原子组合形成尿素(NH2CONH2)，不如体外燃烧彻底，所释放的热量小于体外燃烧。人体消化吸收的效率也会影响食物营养元素最终产生的热量。为了得到食品的生理热值，需要进行一些必要的校正，例如：对于一些动物食品，科学研究人员分别测量食物的热值(输入热量)以及动物粪便的热值(排除热量)。这样，就可以确定某种食物的有效热值。

4 结 论

将RPP-100FRL微机发热量测定仪应用在燃烧热的测定实验中，不仅大幅度提高了实验的准确度和成功率，还可以增加如食品热值，煤炭和石油发热量的测定等实际应用非常广泛的实验环节。这一实验改进拓展了学生的知识面，开拓了科学视野，强化了本科生在仪器操作和仪器应用方面的能力[5]。然而，科研仪器在地方高校属于稀缺资源，价格昂贵，设备台套数少，很难保证在基础教学中学生人手一套，如何在实施大面积的本科教学时保证每名学生的上机时间成为了以后研究的重点。

[1] 苏小辉，潘湛昌. 燃烧热测定实验的改进[J]. 中国现代教育装备. 2009(2)：91.

[2] GB/T 213-2008. 煤的发热量测定方法 [S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[3] 李英华. 煤质分析应用技术指南[M]. 北京：中国标准出版社，2009.

[4] 复旦大学，等. 物理化学实验[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[5] 王晓岗，郝志显，许新华，等. 以大型仪器为依托的化学基础实验教学改革与创新[J]. 中国大学教学. 2016(4)：81～84.