التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

المحسوسه بواسطة الماء الدائر ،وتحسب الفاقد الحراري بالاشعاع والحمل الحراري بضرب وزن الماء الدائري/وحدة زمن × ارتفاع درجة ح اررته ،وهذه الكلاريتمرات مجددة الهواء ،أو مهواة ،ويقاس بها بدقه الحجم ودرجة الح اررة والرطوبة للهواء

الداخل والخارج.

وتقدر الح اررة المفقودة بواسطة الحيوان في بخار الماء بضرب وزن الماء المتبخر × الطاقة الكامنة لبخار الماء ،وهذه يفترض أنها ٠,٥٨٦كيلو كالورى/جم وهي تشمل خطأ بسيط تعتمد الح اررة المفقودة بواسطة الحيوان في بخار الماء تعتمد على درجة ح اررة سطحة ودرجة ح اررة ورطوبة الجو المحيطه به ،والقيمة الاكثر قبولا

للاغراض العادية تكون ٠,٦كيلو كالورى /جم.

وقد صمم Armsby and Friesفي امريكا سنة diabatic heat ١٩٠٣ flow calorimetersوملائمته للماشية والخنازير ،وبعده Capstick and wood 1920في كامبريديج وكلاهما مدين بالكثير للعالم Atwater – Rosa adiabatic

calorimeterحيث صممه سنة .١٨٩٩

في جهاز American cattle calorimeterفان thermo couplesتتصل بالجدارين ويق أر كل دقيقة ،ويجب ضبط الح اررة الداخلة في الفراغ بينهما للحفاظ على أساس نظام الجهاز adiabaticكذلك يجب قياس درجات الح اررة ومعدلات التدفق

ذاتيا ول كن

للماء البارد خ لال ٢٤ساع ة .وقد أمكن لهذه الاجهزة أن تعمل مازالت هذه الاجهزة معقدة ع ند تشغيلها حيث لها مكافئ مائ ي حراري عالي high hydrothermal equivalentوكذلك فهي مكلفة عند التشغيل ،وقد تم

تصميم اجهزة احدث تختفي بها تلك العيوب.

:Gradient Layer Calorimetry

بدلا من استخدام الاجهزة من نوع adiabaticلمنع الفقد الحراري المحسوس

من الكلاريمتر حيث الح اررة تنتقل للسوائل الدائرة وممكن الح اررة أن تتدفق خلال

-٥٥٦-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة

thermal

الحوائط الحاملة واذا كانت الحوائط لها توصيل ح اررة معروف Fourier`s Law للتدفق الحراري فمن الممكن معرفته بواسطةconductivity

:الذى ينص على

dh

-------- = λS (T1 – T0) t

dt

dh

-------- = the rate of heat flow معدل التدفق الحراري

dt

λ= The thermal conductivity of the wall which has a surface

area S and the thickness t

t وسمكS التوصيل الحراري للحوائط التي لها مسطح (T1 – T0) = The gradient of temperature between the inner

and outer surface of the wall.

:والأساس العام موضح في الشكل التالي

:(٣٤) شكل رقم

Principle of the modern gradient layer calorimeter devised by Benzinger. The lower diagram shows a gradient layer, consisting of copper-constantan junctions woven through an insulating layer. If this gradient layer lines the entire surface of a cavity completely and uniformly, as shown in the upper diagram, it records the total heat

-٥٥٧-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

emitted from a source within the cavity regardless of its location ant

the size or shape of the cavity

اذا كان السطح مرتب في طبقة من المادة مطابقة للسمك والتوصيل الحراري فان متوسط التدرج في درجة الح اررة بين الاسطح الداخلية والخارجية لهذه الطبقه تتناسب مع الفقد الكلى الحراري أو الح اررة المكتسبة من المصدر خلال التجويف فمن الممكن الوصول إلى حالة ثابتة من التدفق الحراري .إذا تغيرت الح اررة الداخلة فجأة فان درجة الح اررة المتدرجة ترتفع بسرعة أو تنخفض لمستوى جديد تمثل حالة ثابتة

جديدة من التدفق الحراري.

وواضح انه كلما زاد سمك الحوائط كلما كبر the greater the thermal gradientويتطور ،وكذلك كلما رق سمك الحوائط كلما زاد سرعة الاستجابة إلى التغير الفجائى في الح اررة الخارجيه خلال الجهاز.

وفي حالة الاجهزة البسيطة المقفلة غير الهواه فان الاستجابة تكون مستقلة عن الطريقه التي تنتقل الح اررة إلى الطبقة سواء بواسطة إلا شعاع أو التوصيل أو الحمل الحراري أو تكثيف بخار الماء المتولد من المصدر الحراري خلال الجهاز على

الطبقة.

ويسمى الأساس السابق the gradient layer principleوكان أول من استعمله ) ،Richet and Rubbner (1888حيث يسكن الحيوان في الجهاز وتحيط القشرة الداخلية بالحيوان تكون محاظة بمكان هوائي ضيق وهذه محاطة بطبقة عازلة ،وخارج هذه الطبقة مكان هوائي أصغر ،وكلا المكان الهوائى الداخلي والخارجي يكون محكم السداد ،وأي فرق في الضغط بين المكان الهوائي الداخلي والخارجى يتناسب مع درجة الح اررة المتدرجة اعلى من الطبقة العازلة ،واستعمال هذه الامكنة الهوائية المحكمة كالترمومترات يؤدى إلى بطئ في الاستجابة.

بعد ذلك بدأ تطوير الاجهزة السابقة فبدأ Benzingerاستعمال طرق حديثة لقياس درجة الح اررة وصمم جهاز للإنسان حساسيته عاليه وسريعه الاستجابه.

-٥٥٨-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة وبالرغم من أن أساس تقدير التدفق الحراري بسيط فان المشاكل العملية كثيرة في وثانى،تقدير الفقد الحراري للحيوان والانسان واهمها تهوية الكلاريتمر لازالة بخار الماء واذا لم يدخل الهواء ولم يخرج من الكلاريتمر،اكسيد الكربون الناتج بواسطة الحيوان بنفس درجة الح اررة وضغط البخار فان اكتساب الطاقة أو فقدها تحدث ولا تسجل وقد صممت.The gradient layers of the calorimeter anclosure بواسطة :بعد ذلك اجهزة تحل مشكلة التهوية كما في الشكل التالي

(٣٥) شكل رقم

control of heat input and output in the air circulating through a gradient layer calorimeter. Air is cooled and saturated with water vapour to temperature T1 in the cooler. It passes through a gradient layer heat exchanger (1) where it is brought to temperature T2, flows through the calorimeter and then through a second heat exchanger (2).

Where its temperature is again brought to T2 and where any water vapour condenses. Any heat added to the air by an animal in the chamber induces a net excess potential in heat exchanger 2, which is recorded with the thermopiles of the gradient layer of the two exchangers in series. Gradient layers are shown by broken lines.

-٥٥٩-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

حيث يبرد الهواء الداخل أولا إلى درجة الح اررة المضبوطة T1ثم يشبع ببخار الماء وبعدها يمر خلال المبادل الحراري أو Plate meterحيث تسخن إلى درجة الح اررة المفروضة .T2تقاس الح اررة الداخلة ب gradient layersالمتصلة بالمبادل الحراري ويدخل الهواء في الكلاريتمر واذا كان الحيوان موجود فان من المؤكد أن ترتفع الرطوبة وسوف تزيد بالتالي درجة الح اررة ،ثم يخرج الهواء من الكلاريتمر خلال المبادل الحراري الثاني حيث يعود بدرجة الح اررة إلى T2والضغط البخارى إلى التشبع عند ،T2في هذا Platemeterيقاس الفقد الحراري مرة اخرى من الهواء بواسطة gradient layerوالفرق بين الح اررة الداخليه في the ingoing platemeter

والح اررة الخارجيه في

the outging platemeterيعتبر مقياس دقيق للح اررة المضافة للهواء الدائرى بزيادة درجة ح اررته أو الضغط البخارى وتقاس temperature gradientsفي كل الأجهزة الحديثة بواسطة thermo couplesحيث تتصل كل الوصلات من معدن نشط حرارى كهربى Aلآخر Bلسطح واحد من gradient

layerوجميع الوصلات Bإلى Aسطح آخر.

All junctions of the thermoelectrically active metal A to thermoelecricallt active metal B are attached to one surface of the gradient layer, and all junctions B to A to the other surface.

One surface ----------------- B to A

Other surface --------------- A to B

بالنسبة لعلماء الفسيولوجى فتوجد اجهزة كثيرة ومعظها غالي ،والمتوفر تجارياا نوع عبارة عن شريط مفرد مكون من نحاس ملحوم من كل حافة منه في الحافة الاخرى ويعمل شق أو قطع في هذا الشريط يتكون وصلات ح اررية كثيرة thermo junctionsوهذه ممكن تشابكها في لوح من البلاستيك لتعطى a gradient layer وبهذه الوصلات الكثيرة العدد فان يجب ضرورى ضبط درجة الح اررة ل calorimeter jacketبدقه لإنه إذا تغيرت درجة الح اررة له خلال التجربة فانه

-٥٦٠-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة

ويتم ذلك بواسطةgradient layer

سيحدث تدفق للح اررة خارج أو إلى داخل

ويجب مراعاة أن،دوران الماء بدرحة حرراة مضبوطة بحرص في القشرة الخارجية

.جدا

تكون الارضية قوية

BOMB CALORIMETRY

1. Purpose of Bomb Calorimetry Experiments

Bomb calorimetry is used to determine the enthalpy of

combustion, ∆combH, for hydrocarbons:

CxHYOz (s) + (2X+Y/2-Z)/2 O2 (g) ∆ X CO2 (g) + Y H2O (l)

Since combustion reactions are usually exothermic (give off heat), ∆combH is typically negative. (However, be aware that older literature defines the"heat of combustion"as combH, so as to avoid compiling tables of negative numbers!)

2. Construction of a Bomb Calorimeter

th e rm o m e te r

ig n it io n

u n it

d e w a r

O 2

s t ir r e r

w ate r

s a m p le

b o m b

(٣٦) شكل رقم

The bomb calorimeter consist primarily of the sample, oxygen, the

stainless steel bomb, and water.

The dewar prevents heat flow from the calorimeter to the rest of the

universe, i.e.,

qcalorimeter =.

Since the bomb is made from stainless steel, the combustion reaction occurs at constant volume and there is no work, i.e.,

wcalorimeter = ∆U p dV =.

Thus, the change in internal energy, ∆U, for the calorimeter is zero ∆calorimeter = qcalorimeter + wcalorimeter =.

The thermodynamic interpretation of this equation is that the calorimeter is isolated from the rest of the universe.

-٥٦١-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة

3. ∆U and ∆H in a Bomb Calorimeter

3. A. Internal energy change ∆U

Since the calorimeter is isolated from the rest of the universe, we can define the reactants (sample and oxygen) to be the system and the rest of the calorimeter (bomb and water) to

be the surroundings.

The change in internal energy of the reactants upon

combustion can be calculated from

dU tot = dU sys + dU surr = 0

dU sys = −dU surr

 ∂U 



 ∂U 

= − 

 dT + 

 dV 

 ∂V  T 

 ∂T V

Since the process if constant volume, dV=0.

recognizing the definition of heat capacity Cv yields

Thus,

dU sys = −C v dT

Assuming Cv to be independent of T over small temperature ranges, this expression can be integrated to give

∆U = − C v ∆T

where Cv is the heat capacity of the surroundings, i.e., the

water and the bomb.

3. B. Enthalphy change H

By definition of enthalpy

∆H = ∆U + ∆( pV )

Since there is very little expansion work done by condensed phases, ∆U (pV) ∆. for solids and liquids. Assuming the gas to

be ideal yields

∆H = ∆U + RT∆ngas

3. C. Intuitive difference between U and H

Recall that ∆U=qv is the heat flow under constant volume

-٥٦٣-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

conditions, whereas ∆H=qpis the heat flow under constant

pressure conditions.

The difference between these two

situations is that pV work can be done under constant pressure conditions, whereas no pV work is done under constant volume

conditions.

Consider the case where ∆ngas >.. i.e., the system expands during the reaction. The same amount of energy is released by the reaction under both sets of conditions. However, some of the energy is released in the form of work at constant pressure;

< energy released

thus,heat

thereleased

heat released

will be less than at constant volume.

− ∆H < − ∆U

Mathematically,

∆H > ∆U

In the case where ngas <.. i.e., the system contracts during the reaction, the surroundings does work on the system. Thus,

heat released

> energy

this work

is available

forreleased

energy release from the system back to

− ∆H >in

− ∆the

U form of heat. Mathematically,

the surroundings

∆H < ∆U

These cases can be depicted pictorially as follows:

−qv = −∆U

∆ngas >.

work done by system

−∆H < −∆U or ∆H >

∆U

−w

−qp = −∆Η

∆ngas <.

work done on system

w

−qv = −∆U

−∆H > −∆U or ∆H

< ∆U

-٥٦٤-

−qp = −∆Η

const V

const p

const V

const p

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة

4. Calibration of the Calorimeter

4. A. Estimating Cv

The heat capacity of the bomb calorimeter can be estimated by considering the calorimeter to be composed of 450 g water and 750 g stainless steel. Knowing the specific heat capacity of water to be 1 cal/g·K and estimating the specific heat capacity of

steel to be..1 cal/g·K yields

C v ( calorimete r ) = m ( water ) ⋅ C v ( water ) + m ( steel ) ⋅ C v ( steel )

 cal 



cal 

 + 750 g  0 .1



= 450 g  1

g K 

 gK



cal

cal

= 450

+ 75

K

K

cal

= 525

K

4. B. Measuring Cv

For accurate work, the heat capacity of the calorimeter must be measured. This is done by depositing a known amount of energy into the calorimeter and observing the temperature increase. The two most common methods for measuring Cv are 1. Burning a standard with known U, e.g., benzoic acid.

M

benzoic acid ∆Ubenzoic acid = mbenzoic acid −6318 cal/g·K

= −Cv ∆T

2. Doing electrical work by passing current though a

resistor.

∆U = w + q = V·I·t +. = Cv ∆T

5. Corrections in Bomb Calorimetry

5. A. Combustion of fuse

Nickel and iron fuses can burn according to

1

Ni + 2 O2

NiO

or

3

2Fe + 2 O2 ∆U Fe2O3

-٥٦٥-