Удельная теплоемкость вещества — формулы, определение, обозначение
Покажем, как применять знание физики в жизни
Начать учитьсяВозьмите в руки металлическое украшение с любым камнем. Камушек будет греться достаточно долго, в то время, как металл у этого же украшения нагреется значительно быстрее. У этих материалов разная теплоемкость — давайте разбираться, что это значит.
Нагревание и охлаждение
Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.
Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.
Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
Виу-виу-виу! Внимание!
Обнаружено новое непонятное слово — теплопередача.
Минуточку, давайте закончим с количеством теплоты.
В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:
Нагревание Q = cm(tконечная — tначальная) Охлаждение Q = cm(tначальная — tконечная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C] |
В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.
А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.
Пятерка по физике у тебя в кармане!
Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!
Виды теплопередачи
Теплопередача — процесс передачи теплоты (обмена энергией).
Здесь все совсем несложно, видов всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке.
А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Если мы греемся у камина, то получаем тепло конвекцией или излучением?🤔
Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция
Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета
Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:
Нагревание Q = cm(tконечная — tначальная) Охлаждение Q = cm(tначальная — tконечная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C] |
В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость.
По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.
С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:
Удельная теплоемкость вещества c= Q/m(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tначальная — начальная температура [˚C] |
Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:
Удельная теплоемкость вещества c= C/m c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] C — теплоемкость вещества [Дж/˚C] m — масса [кг] |
Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела Q = C(tконечная — tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C] |
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Таблица удельных теплоемкостей
Удельная теплоемкость — табличная величина.
Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.
Газы | C, Дж/(кг·К) |
Азот N2 | 1051 |
Аммиак Nh4 | 2244 |
| Аргон Ar | 523 |
Ацетилен C2h3 | 1683 |
Водород h3 | 14270 |
Воздух | 1005 |
Гелий He | 5296 |
Кислород O2 | 913 |
Криптон Kr | 251 |
Ксенон Xe | 159 |
Метан Ch5 | 2483 |
Неон Ne | 1038 |
Оксид азота N2O | 913 |
Оксид азота NO | 976 |
Оксид серы SO2 | 625 |
Оксид углерода CO | 1043 |
Пропан C3H8 | 1863 |
Сероводород h3S | 1026 |
Углекислый газ CO2 | 837 |
Хлор Cl | 520 |
Этан C2H6 | 1729 |
Этилен C2h5 | 1528 |
Металлы и сплавы | C, Дж/(кг·К) |
Алюминий Al | 897 |
Бронза алюминиевая | 420 |
Бронза оловянистая | 380 |
Вольфрам W | 134 |
Дюралюминий | 880 |
Железо Fe | 452 |
Золото Au | 129 |
Константан | 410 |
Латунь | 378 |
Манганин | 420 |
Медь Cu | 383 |
Никель Ni | 443 |
Нихром | 460 |
Олово Sn | 228 |
Платина Pt | 133 |
Ртуть Hg | 139 |
Свинец Pb | 128 |
Серебро Ag | 235 |
Сталь стержневая арматурная | 482 |
Сталь углеродистая | 468 |
Сталь хромистая | 460 |
Титан Ti | 520 |
Уран U | 116 |
Цинк Zn | 385 |
Чугун белый | 540 |
Чугун серый | 470 |
Жидкости | Cp, Дж/(кг·К) |
Азотная кислота (100%-ная) Nh4 | 1720 |
Бензин | 2090 |
Вода | 4182 |
Вода морская | 3936 |
Водный раствор хлорида натрия (25%-ный) | 3300 |
Глицерин | 2430 |
Керосин | 2085…2220 |
Масло подсолнечное рафинированное | 1775 |
Молоко | 3906 |
Нефть | 2100 |
Парафин жидкий (при 50С) | 3000 |
Серная кислота (100%-ная) h3SO4 | 1380 |
Скипидар | 1800 |
Спирт метиловый (метанол) | 2470 |
Спирт этиловый (этанол) | 2470 |
Топливо дизельное (солярка) | 2010 |
Задача
Какое твердое вещество массой 2 кг можно нагреть на 10 ˚C, сообщив ему количество теплоты, равное 7560 Дж?
Решение:
Используем формулу для нахождения удельной теплоемкости вещества:
c= Q/m(tконечная — tначальная)
Подставим значения из условия задачи:
c= 7560/2*10 = 7560/20 = 378 Дж/кг*˚C
Смотрим в таблицу удельных теплоемкостей для металлов и находим нужное значение.
Металлы и сплавы | C, Дж/(кг·К) |
Алюминий Al | 897 |
Бронза алюминиевая | 420 |
Бронза оловянистая | 380 |
Вольфрам W | 134 |
Дюралюминий | 880 |
Железо Fe | 452 |
Золото Au | 129 |
Константан | 410 |
Латунь | 378 |
Манганин | 420 |
Медь Cu | 383 |
Никель Ni | 443 |
Нихром | 460 |
Олово Sn | 228 |
Платина Pt | 133 |
Ртуть Hg | 139 |
Свинец Pb | 128 |
Серебро Ag | 235 |
Сталь стержневая арматурная | 482 |
Сталь углеродистая | 468 |
Сталь хромистая | 460 |
Титан Ti | 520 |
Уран U | 116 |
Цинк Zn | 385 |
Чугун белый | 540 |
Чугун серый | 470 |
Ответ: латунь
Карина Хачатурян
К предыдущей статье
210.
2KЗакон Ома
К следующей статье
Испарение
Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке
На вводном уроке с методистом
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс
Формула количества теплоты в физике
Содержание:
- Определение и формула количества теплоты
- Формула расчета теплоты при изменении температуры
- Формула количества теплоты при фазовых переходах
- Единицы измерения количества теплоты
- Примеры решения задач
Определение и формула количества теплоты
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:
- совершая над системой работу,
- при помощи теплового взаимодействия.
Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем, что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии, которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.
Определение
Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой). Обозначается теплота, обычно буквой Q.
Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики.
Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.
Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.
Формула расчета теплоты при изменении температуры
Элементарное количество теплоты обозначим как $\delta Q$. Обратим внимание, что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом. Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.
Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:
$$\delta Q=C d T(1)$$где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:
$$\delta Q=c m d T=\nu c_{\mu} d T(2)$$где $c=\frac{C}{m}$ – удельная теплоемкость тела, m – масса тела,
$c_{\mu}=c \cdot \mu$ — молярная теплоемкость,
$\mu$ – молярная масса вещества,
$\nu=\frac{m}{\mu}$ – число молей вещества.
Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты ($\Delta Q$), которое получает тело при увеличении его температуры на величину $\Delta t = t_2 — t_1$ можно вычислить как:
$$\Delta Q=c m \Delta t(3)$$где t2, t1 температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности ($\Delta t$) в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.
Формула количества теплоты при фазовых переходах
Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которая носит название теплоты фазового перехода.
Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты ($\delta Q$) равное:
$$\delta Q=\lambda d m$$где $\lambda$ – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела.
При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества.
При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).
Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:
$$\delta Q=r d m$$где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.
Единицы измерения количества теплоты
Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж
Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура одной массы воды t1=10С, второй массы воды t2=60С?
Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:
$$Q=Q_{1}+Q_{2}(1.1)$$где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q1=cm1t1 —
количество теплоты части воды температурой t1 и массой m1;
Q2=cm2t2— количество теплоты части воды температурой t2 и массой m2.
Из уравнения (1.1) следует:
$$ \begin{array}{l} \mathrm{cmt}=\mathrm{cm}_{1} t_{1}+\mathrm{~cm}_{2} t_{2} \rightarrow \mathrm{mt}=\mathrm{m}_{1} t_{1}+\mathrm{~m}_{2} t_{2} \rightarrow \\ \rightarrow \rho \mathrm{Vt}=\rho V_{1} t_{1}+\rho \mathrm{V}_{2} t_{2} \rightarrow \mathrm{Vt}=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2}(1.2) \end{array} $$При объединении холодной (V1) и горячей (V2) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:
$$$ V=V_{1}+V_{2}(1.3) $$$Так, мы получаем систему уравнений:
$$ \left\{\begin{array}{c} V t=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2} \\ V=V_{1}+V_{2} \end{array}\right. $$Решив ее получим:
$$ \begin{array}{l} V_{1}=\frac{\left(t_{2}-t\right)}{t_{2}-t_{1}} V \\ V_{2}=\frac{\left(t-t_{1}\right)}{t_{2}-t_{1}} V \end{array} $$Проведем вычисления (это можно сделать, не переходя в систему СИ):
$$ \begin{array}{l} V_{1}=\frac{(60-40)}{60-10} 200=80 \text { (л) } \\ V_{2}=\frac{(40-10)}{60-10} 200=120 \text { (л) } \end{array} $$Ответ.
{*}\right)
\end{array}
$$
Ответ. $\Delta Q$=1700 Дж
Читать дальше: Формула напряженности магнитного поля.
ККМ-Д | Измерения | Biolin Scientific
Что такое QCM-D?
Кварцевые микровесы, QCM, и расширенные версии, такие как кварцевые микровесы с контролем диссипации, QCM-D, являются поверхностно-чувствительными технологиями в реальном времени, которые обнаруживают изменения массы на поверхности датчика с наноразмерным разрешением. По сути, эти приборы представляют собой весы для очень малых масс, и взаимодействия молекулы с поверхностью обнаруживаются как изменения массы, т. е. поглощение или потеря массы по мере адсорбции или десорбции молекул.
Помимо изменений массы, QCM-D также фиксирует изменения потерь энергии. Эта дополнительная информация дает представление о вязкоупругих свойствах изучаемой системы и может выявить структуру, а также структурные изменения, такие как набухание, сшивание и разрушение молекулярного слоя на поверхности сенсора.
Краткая история QCM
В первые дни технология QCM использовалась для мониторинга осаждения тонких пленок в газовой фазе и в вакууме. Спустя пару десятков лет его начали использовать и в жидкой фазе. Это открыло возможности для анализа поверхностного взаимодействия, например, биомолекул и полимеров, которые обычно образуют мягкие и/или толстые слои на поверхности сенсора. В этом типе измерений расширенные QCM, которые измеряют потери энергии, оказались особенно полезными, поскольку информация о потерях энергии помогает анализу и количественной оценке вязкоупругих слоев.
Измерение массы
Чтобы перейти от обнаруженного изменения частоты Δ f к количественному числу в единицах массы, необходимо преобразование.
Связь между частотой и массой была впервые выявлена Гюнтером Зауэрбреем в 1959 году и привела к так называемому соотношению Зауэрбрея. Открытие привело к рождению технологии QCM.
Количественная оценка мягких слоев
Для того, чтобы моделирование вязкоупругости было возможно или даже чтобы знать, нужно ли оно на самом деле, нам нужна информация о потерях энергии в системе, так называемая диссипация. Потери энергии фиксируются с помощью расширенных QCM, таких как QCM-D. Т.е., в отличие от стандартной ККМ, которая фиксирует один параметр, ∆ f , как функцию времени, технология QCM-D фиксирует два параметра, Δ f и Δ D , как функцию времени.
jpg?width=325&name=How-does-QCM-D-work.jpg»> Как работает QCM-D?QCM — это акустическая технология, т. е. она измеряет изменения звука. Однако звук обычно находится в режиме МГц и не воспринимается человеческим ухом.
Основой технологии является колебательный узел – тонкий диск из кристалла кварца, на каждую сторону которого нанесены электроды. С помощью приложенного напряжения кристалл может быть возбужден до резонанса, а резонансная частота связана с толщиной (массой) диска. Если толщина изменится, то изменится и резонансная частота, ф. Контролируя изменения резонансной частоты, Δ f , можно обнаружить небольшие изменения толщины (массы) кристалла. Измерение позволяет обнаруживать наноразмерные изменения массы, такие как адсорбция или связывание молекул с поверхностью, которые будут обнаруживаться как увеличение массы, тогда как уменьшение массы будет указывать на удаление массы, например, посредством молекулярной десорбции или травления поверхности.
В дополнение к измерению Δ f , которое измеряется всеми ККМ.:s, ККМ-Д измеряет дополнительный параметр, диссипацию, Δ Д . Диссипация дает информацию о потерях энергии в системе и особенно полезна при изучении мягких слоев, где эта информация используется для количественной оценки свойств слоя.
Пьезоэлектричество — ключевое явление для МКК-технологии
Как было сказано выше, ядром МКК-технологии является датчик, который выявляет изменения массы по изменению его резонансной частоты. Ключевым качеством датчика для возможности этого возбуждения является то, что он изготовлен из пьезоэлектрического материала. Пьезоэлектричество — это явление, которое связывает электрическое и механическое состояние материала. Это означает, что при механической деформации материала его грани будут заряжаться, и наоборот, т.е. при воздействии на материал электрического поля материал будет деформироваться. Обычно датчики QCM изготавливаются из кварца, но могут использоваться и другие пьезоэлектрические материалы.
Уравнение Зауэрбрея – преобразование изменения частоты в изменение массы Отношение Зауэрбрея.
Уравнение утверждает, что существует линейная зависимость между изменением частоты и изменением массы в соответствии с
, где C, так называемая постоянная чувствительности массы, является константой, связанной со свойствами кварца и
.0023 n=1, 3, 5… — номер используемой гармоники.
Чтобы уравнение Зауэрбрея было верным, слой на датчике должен быть тонким, жестким и прочно прикрепленным к поверхности кристалла. Когда изучаются гидратированные системы, например, полимеры или биомолекулы в жидкости, условия часто не выполняются, и соотношение Зауэрбрея будет недооценивать массу. В этой ситуации есть другие способы количественной оценки свойств слоя, например, с помощью так называемого вязкоупругого моделирования.
Рассеяние – позволяет анализировать вязкоупругие слои
QCM-D измеряет изменения как частоты, f , так и рассеяния, D .
Значение D дает информацию о потерях энергии в системе и показывает, насколько мягким или вязкоупругим является слой на поверхности. Это означает, что значение D покажет, является ли слой жестким и можно ли использовать уравнение Зауэрбрея для количественной оценки. В ситуациях, когда нельзя использовать уравнение Зауэрбрея, D -значение содержит ценную информацию, которую можно использовать в качестве входных данных в модели количественного определения и для извлечения массы, толщины и вязкоупругих свойств.
Чувствительность ККМ
Параметром, который часто обсуждается в контексте ККМ, является массовая чувствительность, C, в уравнении Зауэрбрея (уравнение 1). Эта константа, которую часто называют «чувствительностью», говорит о том, сколько нг материала на см 90 103 2 90 104 датчика необходимо для смещения резонансной частоты на 1 Гц, т.е. чем меньше С, тем выше массовая чувствительность . Значение зависит исключительно от основной резонансной частоты кристалла и определяется как
, где υ Q — это скорость сдвиговой волны в кварце, ρ Q — плотность кварцевой пластины, а F 0 — фундаментальная резиновая частота.
Это отмечено в ур. 2 видно, что чем выше основная мода, тем выше теоретическая чувствительность массы. Например, теоретическая массовая чувствительность кристалла с частотой 5 МГц составляет 17,7 нг/(см 2 ∙Гц), а кристалла с частотой 10 МГц — 4,4 нг/(см 2 ∙Гц).
Важность обертонов
QCM — это акустическая технология, и подобно акустическому инструменту кристалл QCM может резонировать с несколькими различными гармониками, n . Для кристаллов ККМ с AT-срезом, которые колеблются в режиме сдвига по толщине, только нечетные гармоники, n = 1, 3, 5,…. можно взволновать. Самая низкая резонансная частота, n = 1, называется основной, а n = 3, 5, 7 и т. д. — обертонами основной частоты. Например, если основная частота составляет 5 Гц, то доступные резонансы обертонов будут 15 МГц, 25 МГц, 35 МГц и т. д.
Каждая измеренная гармоника дает уникальную информацию об изучаемой системе и может быть полезна при интерпретации данных QCM.
Кроме того, информация от нескольких обертонов также является ключевой при выполнении вязкоупругого моделирования — модель содержит несколько неизвестных параметров, и для ввода в модель необходимо как минимум такое же количество измеряемых переменных.
Когда используется QCM-D?
Технология QCM-D используется как в академических, так и в промышленных условиях для получения ответов на протяжении всего исследовательского процесса. Природа технологии делает ее полезной в широком диапазоне областей, где взаимодействие молекул с поверхностью играет важную роль.
В зависимости от направленности исследования и, конечно же, фазы проекта технология QCM-D используется для ответа на различные типы вопросов.
A. Исследуйте – наметьте поведение системы, чтобы лучше понять
Технология QCM-D используется в фундаментальных исследованиях и других проектах аналогичного характера, чтобы помочь ответить на фундаментальные вопросы, такие как «Что произойдет, когда/если..? » и «Как эта молекула взаимодействует с поверхностью в этих условиях?» Примеры вопросов, для ответа на которые используется QCM-D:
- Что произойдет, если я заменю смесь липидов — образуется ли двойной слой?
- Будет ли белок связываться с этой функционализированной поверхностью при данном рН?
- При какой температуре полимерная щетка перейдет из набухшего в сложенное состояние?
B. Охарактеризовать или проверить процессы взаимодействия с поверхностью или поведение системы
Если работа более прикладная, можно использовать технологию QCM-D для проверки определенного поведения взаимодействия с поверхностью. Например, его можно использовать для:
- Проверка формирования бислоя
- Дважды проверьте, связывается ли белок с функционализированной поверхностью
- Проверка перехода полимерной щетки набухание/коллапс при известной температуре
C.
Оптимизация — определение оптимальной производительности в зависимости от параметра(ов)Если проект находится на стадии разработки, может быть уместно настроить параметры, условия и настройки для определения оптимальной производительности или получения определенного поведение при взаимодействии с поверхностью. В этой ситуации QCM-D может помочь ответить на такие вопросы, как:
- Каково оптимальное соотношение липидов для формирования бислоя?
- При каком pH я получу самое быстрое поглощение белка?
- Какую конфигурацию полимерной цепи следует использовать, чтобы получить фазовый переход при этой температуре?
Диапазон размеров молекул и толщина пленки
QSense QCM-D измеряет в наномасштабе, а диапазон обнаружения составляет от ~1 Å до 1 мкм, в зависимости от свойств слоя.
Типичными изучаемыми молекулами и объектами являются биомолекулы, поверхностно-активные вещества, полимеры, наночастицы, клетки и другие структуры того же размера.
Варьируйте условия
Большинство процессов поверхностного взаимодействия зависят от условий, таких как химия поверхности и условия растворителя в окружающей среде. Чтобы получить представление об изучаемой системе, важно имитировать эти реальные условия.
Технология QSense QCM-D позволяет варьировать ключевые параметры, такие как:
- Материал поверхности
- Концентрация образца
- Температура
- Растворитель
- рН
- Ионная сила
Примеры областей применения
На протяжении десятилетий технология QCM использовалась для контроля осаждения тонких пленок в вакууме и газовой фазе. Когда в 80-х годах было обнаружено, что МКК также можно использовать для измерений в жидкой фазе, количество возможных приложений значительно увеличилось. Сегодня QCM и расширенные версии, такие как QCM-D, используются в широком диапазоне областей, где необходимо исследовать и контролировать процессы поверхностного взаимодействия.
Примеры включают области биоматериалов, нанотоксикологии, чистящих и моющих средств, нефти и газа и CMP.
Информация, которую можно извлечь с помощью QCM-D
QSense QCM-D контролирует взаимодействие молекул с поверхностью, а также свойства слоя, сформированного на поверхности сенсора. Собранные данные позволяют охарактеризовать изучаемую систему, а вопросы, на которые можно ответить, например:
- есть ли имеет место взаимодействие молекулы с поверхностью или нет?
- сколько материала адсорбируется/десорбируется или связывается?
- как быстро процесс?
Масса, толщина и вязкоупругие свойства
Собранные f и D на множественных гармониках позволяют получить как качественную информацию, такую как выявление, имеет ли место взаимодействие молекулы с поверхностью, так и количественную информацию о массе , толщина и вязкоупругие свойства сформированного слоя.
Это позволяет изучать молекулярную адсорбцию, десорбцию и связывание, а также деградацию и травление слоев.
Данные с временным разрешением
Информация имеет временное разрешение , что не только позволяет охарактеризовать сформированный слой, но также позволяет отслеживать динамические процессы, такие как формирование пленки, разрушение пленки и структурные перестройки.
Гидратированная масса, конформация и конформационные изменения
Когда молекулы адсорбируются или связываются с поверхностью, окружающий растворитель связывается с молекулами в виде дополнительной динамической массы посредством прямой гидратации и/или захвата в адсорбированной пленке. Масса, определяемая QCM:s, включает в себя как массу молекул на поверхности, так и массу связанного растворителя. Поэтому его часто называют «гидратированной массой».
Количество связанного растворителя зависит от того, как молекулы расположены на поверхности. Например, молекулы в удлиненной конформации, вытянутые от поверхности, обычно связывают больше растворителя, чем если бы молекулы были расположены плотно упакованными вдоль поверхности.
Если расположение молекул изменится, произойдет изменение массы, отражающее количество связанного растворителя. Поскольку это изменение массы будет обнаружено с помощью QCM, можно будет обнаруживать и контролировать конформационные изменения молекулярного слоя, такие как набухание, сшивание и коллапс.
Адсорбция/десорбция
Связывание и взаимодействие
Сшивание
Набухание/разрушение
Разрушение и травление
Примеры использования данных QCM-D в различные области
Здесь мы приводим примеры информации, которую QCM-D может предоставить в трех различных областях: i) исследования на основе липидов, исследования, включающие ii) взаимодействия биомолекул с поверхностью и iii) исследования на основе полимеров.
i) QCM-D в исследованиях на основе липидов
QCM-D использовался в течение примерно двух десятилетий для анализа и характеристики систем на основе липидов. Благодаря разрешенной во времени информации о гидратированной массе и мягкости слоя это непревзойденная технология в этой области, где она позволяет отслеживать динамику взаимодействия между липидами и твердой подложкой.
QCM-D позволяет:
- Исследование динамики взаимодействия липидов с поверхностью
- Определите разницу между структурами, такими как
- Монослои
- Двухслойные
- Везикулы
- Изучение взаимодействия молекул/частиц с системами на основе липидов
На практике это означает, что QCM-D можно использовать для:
- Анализ динамики взаимодействия липидов с твердой поверхностью, e. г. скорость адсорбции и адсорбированное количество
- Выявить структуру липидной системы, напр. интактные везикулы, монослои и бислои
- Обнаружение структурных перестроек, т.е. разрыв и слияние пузырьков
- Оценка качества липидных мембран
- Количественная оценка толщины слоя
- Количественная оценка механических свойств слоя
- Анализ молекулярного взаимодействия с липидной мембраной
Анализ поверхностных взаимодействий биомолекул с помощью QCM-D
Что касается систем на основе липидов, QCM-D используется с начала этого тысячелетия для анализа систем на основе биомолекул.
Благодаря разрешенной во времени информации о гидратированной массе и мягкости слоя технология позволяет отслеживать динамику взаимодействия между биомолекулой и поверхностью. Например, вы можете отслеживать и характеризовать такие события, как:
- Адсорбция/десорбция
- Переплет
- Ферментативное действие/реакции
- Конформационные и структурные изменения
- Образование фибрилл (не показано на рис.)
- Адсорбция/десорбция
На практике это означает, что QCM-D можно использовать для:
QCM-D в исследованиях на основе полимеров
Благодаря разрешенной во времени информации о гидратированной массе и мягкости слоя, QCM-D особенно хорошо подходит для анализа сильно гидратированных систем (структур) и систем, в которых изменяется степень гидратации через некоторое время.
Например, вы можете отслеживать и характеризовать такие события, как:
- Прививка полимера
- Накопление PEM
- Конформационные изменения, набухание, коллапс и сшивание
- Молекулярные взаимодействия с полимерными слоями
В частности, важно отметить, что эти процессы могут быть проанализированы как функция молекулярных и окружающих условий, таких как:
- Молекулярная структура
- Растворитель
- Температура
- Зарядка
- рН
- Противоионы
- Ионная сила
На практике это означает, что QCM-D можно использовать для:
- Анализ динамики нарастания полимерных слоев и мультислоев
- Характеристика структуры и структурных перестроек
- блин, грибы и кисть
- набухание, разрушение и сшивание
- Количественная оценка толщины слоя
- Количественная оценка механических свойств слоя
- Анализ молекулярных взаимодействий с полимерным слоем
biolinscientific.com/hs-fs/hubfs/images/Biolin%20Scientific/Pillar%20pages/Comparing-QCM-D.jpg?width=325&name=Comparing-QCM-D.jpg» data-chapter-image=»https://www.biolinscientific.com/hs-fs/hubfs/images/Biolin%20Scientific/Pillar%20pages/Comparing-QCM-D.jpg?width=325&name=Comparing-QCM-D.jpg»> Чем отличается QCM-D?Когда вы инвестируете в новую систему контроля качества, важно сравнить аналогичные технологии, а также оценить инструменты контроля качества от разных поставщиков, чтобы убедиться, что вы найдете то, что подходит для вашей лаборатории.
Сравнение QCM-D с другими поверхностно-чувствительными технологиями
QCM-D часто сравнивают с другими поверхностно-чувствительными технологиями реального времени, такими как SPR и эллипсометрия, которые также предоставляют информацию о взаимодействиях молекул с поверхностью. Так как же QCM-D относится к этим двум методам?
QCM-D и SPR
QCM-D и поверхностный плазмонный резонанс (SPR) во многом схожи.
Например, оба метода используются в анализе поверхностных взаимодействий для мониторинга специфических взаимодействий, молекулярного связывания и процессов адсорбции. Однако, поскольку эти два метода основаны на разных технологиях и принципах измерения, QCM является акустической технологией, а SPR — оптической, существуют различия в экспериментальных возможностях и извлечении информации.
Как уже обсуждалось, QCM измеряет изменения резонансной частоты, f , колеблющегося кристалла кварца, который чувствителен к изменениям массы на поверхности. SPR, с другой стороны, измеряет изменение угла поверхностного плазмонного резонанса ϴ, который чувствителен к изменениям показателя преломления. В дополнение к f и ϴ , некоторые инструменты QCM и SPR предназначены для сбора дополнительных параметров, что затем расширяет объем информации, которую может извлечь соответствующая технология. Выходная информация, предлагаемая прибором QCM, варьируется от качественной информации об изменениях массы с временным разрешением на поверхности до количественной информации о массе, толщине и вязкоупругих свойствах с высоким временным разрешением.
Выходная информация, предлагаемая стандартным прибором SPR, варьируется от относительной информации об изменениях показателя преломления на поверхности или вблизи нее до количественной информации о показателе преломления, толщине, плотности и покрытии поверхности.
QCM-D и эллипсометрия
QCM-D и эллипсометрия также имеют много общего. Обе технологии обеспечивают получение результатов поверхностной адсорбции и десорбции в режиме реального времени и позволяют количественно определять поверхностную массовую плотность слоев на границе твердое тело-жидкость или твердое тело-газ. Однако принципы работы этих двух методов различны; МКМ измеряет акустические изменения, т. е. изменения звукового сигнала, тогда как эллипсометрия измеряет оптические изменения, т. е. изменения светового сигнала.
Как уже упоминалось, обе технологии способны ощущать изменения массы на поверхности. Однако из-за различий в принципах работы масса, измеряемая двумя методами, различается.
Масса, определяемая технологией QCM, включает не только молекулы, адсорбированные/связанные с поверхностью сенсора, но и массу растворителя, связанного с адсорбированным слоем. Эллипсометрия, с другой стороны, измеряет массу без учета связанного растворителя. По этой причине оптическую массу часто называют «сухой массой», а акустическую массу часто называют «влажной массой». Поскольку эти два метода дают дополнительную информацию, использование комбинированной установки, в которой QCM-D и эллипсометрия могут выполняться одновременно на одной и той же поверхности, позволяет извлечь информацию об изменениях количества связанного растворителя в исследуемой системе, что является информацию, которую ни один из двух методов не может извлечь при самостоятельном использовании.
QCM-D по сравнению с другими QCM:
На рынке доступно несколько различных QCM: стандартные QCM, которые измеряют только резонансную частоту, расширенные QCM:, которые в дополнение к частоте также измеряют потери энергии, ККМ с одной гармоникой, которые обычно измеряют только на основной резонансной частоте, и ККМ с несколькими гармониками – ККМ, которые измеряют к множеству гармоник.
В дополнение к этому некоторые аспекты технических характеристик прибора, например основная резонансная частота, могут различаться в зависимости от прибора.
Стандартный QCM
Вкратце, стандартный QCM измеряет изменения резонансной частоты кварцевого кристалла при возбуждении возбуждающим напряжением. Это измерение позволяет отслеживать изменения массы или толщины тонких и жестких слоев, прилипающих к поверхности сенсора из кварцевого кристалла. Если адсорбированный (или связанный) слой удовлетворяет требованиям соотношения Зауэрбрея, можно извлечь информацию о массе и толщине слоя.
Расширенный QCM — QCM, отслеживающий потери энергии
Такие приборы, как QCM-D, QCM-I, QCM-R и т. д., являются расширенными версиями стандартного QCM. В дополнение к измерению изменений резонансной частоты, f , эти ККМ также измеряют изменения потерь энергии, диссипации.
Вкратце, существует три различных способа измерения потерь энергии: 1) спектроскопия импеданса, 2) время затухания колебаний или 3) измерение сопротивления.
Различные подходы дают разное количество информации об изучаемой системе. Благодаря дополнительной информации, предоставляемой расширенными ККМ, можно, например, определить, является ли измеряемый слой жестким или нет, и можно ли использовать уравнение Зауэрбрея для количественного определения массы.
ККМ с одной гармоникой и кКМ с несколькими гармониками
Подобно гитарной струне, кристалл ККМ можно возбудить, чтобы он резонировал с несколькими различными гармониками. ККМ с одной гармоникой возбуждает кристалл на одной частоте, тогда как ККМ с несколькими гармониками возбуждает кристалл с несколькими частотами. Количество частот, измеряемых многогармоническим ККМ, может варьироваться от двух и выше. ККМ с одной гармоникой обычно используют основную частоту, в то время как ККМ с несколькими гармониками используют основную частоту и один или несколько обертонов.
Каждая измеренная гармоника предоставляет информацию об исследуемой системе. Если f и D собраны на нескольких гармониках, можно количественно определить массу, толщину и вязкоупругие свойства мягких слоев, т.
е. технология мультигармонического QCM-D позволяет количественно определить массу и толщину как жестких, так и вязкоупругих слоев. слои.
Какой QCM удовлетворит ваши потребности?
Каждая из обсуждаемых здесь версий QCM подходит для различных типов измерений и экспериментальных контекстов. Поэтому выбор QCM зависит от вашего конкретного приложения и от того, насколько тщательно вам нужно охарактеризовать систему, с которой вы планируете работать. Основные вопросы, которые следует задать:
- Будут ли измерения проводиться в газовой или жидкой фазе?
- Будут ли изучаться вязкоупругие слои?
- Будут ли изучаемые процессы быстрыми или медленными?
- Нужна ли количественная информация или будет достаточно качественной информации?
Как оценить и сравнить спецификации QCM
После того, как вы решили, какой тип прибора QCM вам нужен, и определили возможных поставщиков, пришло время сравнить спецификации различных приборов, которые вы выбираете.
Однако оценка и сравнение спецификаций QCM может быть сложной задачей, поскольку они не всегда содержат одну и ту же информацию, а терминология, используемая для описания определенного свойства, может различаться. Один из подходов для облегчения сравнения информации, представленной в спецификациях, состоит в том, чтобы определить параметры, которые имеют отношение к фактической ситуации измерения, и посмотреть на единицу указанных чисел, чтобы сравнить информацию от разных поставщиков.
Если вы заинтересованы в приборе QSense, ознакомьтесь с полным ассортиментом нашей продукции, попробуйте наш инструмент для выбора или свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши исследовательские потребности.
продуктов/проточная ячейка/qcm | АЛС, электрохимическая компания
Метод микровесов кварцевого кристалла (ККМ) при электрохимической частоте очень полезен для определения многих соединений, таких как белки металлов, ионы металлов и олигонуклеотиды, конъюгированные с тиолом.
Резонансная частота кварца изменяется, когда материал прикрепляется к поверхности электрода. Этот продукт позволяет проводить супермикроколичественный анализ, используя это уникальное свойство.
- Содержимое
- Пример измерения
- Кристалл кварца
- Заявка
| Кат. № | Описание | Компоненты |
| 013486 | Комплект проточной кюветы QCMT | Проточная кювета из полиметилпентена Ячейка из полиметилпентена Колпачок из полиметилпентена Тефлоновая трубка Фитинг из ПЭЭК (2 шт.) Крепежный винт (2 шт.) Силиконовое уплотнительное кольцо (2 шт.) Держатель проточной кюветы Платиновый противоэлектрод |
| Дополнительные продукты | ||
| 012167 | Электрод сравнения RE-1B (Ag/AgCl) | |
| 013613 | Электрод сравнения RE-1BP (Ag/AgCl) | |
| 013848 | RE-7N Неводный электрод сравнения | |
Сопутствующий продукт
Набор проточных кювет EQCMT
раствор: PBS с 2 мМ дитиодипропионовой кислоты
a : стационарное состояние
[Расход] b :85, c :110, d :140, e :160, f :190 мкл/мин
Базовый уровень достаточно стабилен как показано на рисунке.
На рисунке выше показан результат изменения частоты со временем при добавлении:
авидина (2 мг/мл), этаноламина (5 мМ), БСА в PBS (1%),
лектина биотин-алло А (0,05 мг/мл, в 1 % БСА),
полимер, несущий галактозу (1 мг/мл, в 1 % БСА), PBS
Толщина кварца 10 МГц 0,16 мм. Ускорение частоты колебаний означает сделать кварц тоньше и нежнее. Необходимо учитывать разрешение и простоту ухода. Мы можем предложить два состояния поверхности кварца — полированный и неполированный. Полированный имеет слой золота толщиной 100 Å на титановом клеевом слое. Мы бы рекомендовали неполированный кварц, если есть вероятность того, что слой титана может повлиять на ваш эксперимент. Обращаем Ваше внимание, что слой золота на неполированном кварце отслаивается легче, чем на полированном, так как он не имеет липкого слоя.
| Кат. № | Описание | Кол-во | Частота |
| 013610 | Кристалл кварца Au | 5 | 7,995 МГц |
| 013447 | Кристалл кварца Pt | 3 | |
| 012772 | Чистый кристалл с держателем | 5 |
Применение режима EQCM
EQCM полезен для различных исследований явлений, происходящих на поверхности электрода, таких как адсорбция и десорбция продукта электродной реакции и электролитическое осаждение металла.