Lexikon: Kalorimeter

 

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Ein Kalorimeter ist ein Messgerät zur Bestimmung der Wärmemenge, die bei Physik|physikalischen, Chemie|chemischen oder Biologie|biologischen Prozessen erzeugt oder verbraucht werden. Mit Hilfe eines Kalorimeters kann zudem die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ermittelt werden. Man unterscheidet Kalorimeter nach Betriebsarten wie zum Beispiel adiabatisch oder isotherm beziehungsweise nach dem Meßprinzip wie zum Beispiel Leistungskompensations- oder Wärmeleitungsprinzip. Das Messverfahren selbst bezeichnet man als Kalorimetrie.

Allgemein

Kalorimetrische Messungen führt man in einem Kalorimeter durch. Dabei wird in den meisten Fällen dem Kalorimeter Wärme zugeführt oder entzogen und dabei die Temperaturänderung beobachtet. Wenn ein Thermometer verwendet wird sollte ein Beckmann-Thermometer oder ein Digitalthermometer verwendet werden (Ablesegenauigkeit 0.1 K). Es gibt viele verschiedene Kalorimeter. Man kann sie in vier Gruppen einteilen.

2.1. Anisotherme Kalorimeter

Das Kalorimeter ist gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Der Wärmeaustausch erfolgt mit einer Flüssigkeit (Flüssigkeitskalorimeter) oder mit einem Metall (Metallblockkalorimeter). Dieser Gerätetyp ist in der Kalorimetrie der häufigste. Bei sauberem Arbeiten sind mit ihm Genauigkeiten von bis zu 0.01% möglich. Man wendet dieses Verfahren an, wenn der Wärmeaustausch maximal 20 min dauert.

2.1.1. Flüssigkeitskalorimeter

Es besteht aus einem doppelwandige Kupferbehälter, dessen Zwischenraum mit Wasser gefüllt ist, für eine temperaturkonstante Umgebung im inneren Kalorimeter sorgen soll. Das Kalorimetergefäß aus dünnem Blech wird auf einer wärmeisolierten Unterlage aufgestellt. Als Kalorimeterflüssigkeit dient gewöhnliches Wasser, doch können auch andere Flüssigkeiten verwendet werden. Durch ein Rührwerk, dessen Umdrehungszahl konstant bleiben muss, wird ein besserer Wärmeaustausch gewährleistet. Die Temperaturänderung wird mit einem Thermometer gemessen.

2.2. Adiabatische Kalorimeter

Die Temperaurdifferenz zwischen der Kalorimeterflüssigkeit und dem Gefäßmantel wird bei diesen Geräten ständig durch Erwärmen oder Abkühlen ausgeglichen. Beide Vorgänge müssen mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Dies wird umso leichter zu erreichen, je langsamer die Wärmeabgabe an das Kalorimeter erfolgt (20min bis 60min).

2.3. Isotherme Kalorimeter

Bei diesen Geräten wird die Wärmemenge von bestimmten Substanzen abgenommen, die dabei eine Phasenänderung erleiden. Die Temperaturen bleiben also während des Versuches konstant. Man bezeichnet diese Geräte auch als Phasenumwandlungskalorimeter. Sie werden bei langsam ablaufenden Reaktionen eingesetzt, die über mehrere Stunden dauern.

2.3.1. Eiskalorimeter

Für Messungen von Wärmemengen bei 0Co gehört dieses Kalorimeter zu den genausten. Im Bild ist der Raum b mit dest. Wasser gefüllt und steht in Berührung mit dem Quecksilber unten im Gefäß. Das Quecksilber ist in der Kapillare bis zum Punkt m gefüllt. Um den unteren Teil des Rohres a wird ein Eismantel erzeugt (gestrichelte Linie), indem man eine Kältemischung in einem dünnwandigen Probierrohr in a einführt. Das ganze Kalorimeter wird durch eine Eispackung und durch weitere Isolierung gegen äußere Temperatureinflüsse geschützt. Die zu messende Wärmemenge wird vom Raum V zugeführt und dort an den Eismantel gegeben, der teilweise schmilzt. Dadurch tritt eine bestimmte Volumenänderung ein, die ein Maß für die abgegebene Wärmemenge ist und aus der Verschiebung des Quecksilberfadens in der Kapillare m berechnet werden kann.

2.3.2. Kondensationskalorimeter

Dieses Kalorimeter wird hauptsächlich zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes zwischen 100 Co und 20 Co verwendet. Dabei wird als kondensierendes Gas Wasserdampf benutzt. Der zu untersuchende Körper K wird mittels eines feinen Drahtes an einer empfindlichen Waage aufgehängt und befindet sich im Inneren des Kalorimeters. Leitet man plötzlich gesättigten Wasserdampf, der von tropfbarer Flüssigkeit befreit ist, in diesen Raum ein, so wird eine bestimmte Dampfmenge auf den Anfangs kalten Körper kondensieren, bis der Körper die Temperatur des Dampfes angenommen hat. Dabei ist eine Wärmemenge von ΔQ=r·m auf den Körper übergegangen (ΔQ = Wärmemenge; r = Kondensationswärme; m = Masse an kondensiertem Dampf).

Gegen Abtropfen von Wasser schützt ein unten am Körper befestigtes dünnwandiges Platinschälchen. Der Auftrieb der wegen der Dampfströmung auftritt muss berücksichtigt werden. Die Methode kann sehr genaue Werte liefern.

2.4. Wärmeaustauschkalorimeter

Bei Reaktionen, die sich über mehrere Stunden bis zu einigen Monaten erstrecken, sorgt man für einen Schnellen und vollständigen Wärmeaustausch mit der Umgebung. Es wird dabei die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.

Weblinks

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