Kalorimeter

  Ein Kalorimeter (lat. calor = Wärme) ist ein Messgerät (oder eine Apparatur) zur Bestimmung der Wärmemenge, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen "erzeugt" oder "verbraucht" wird. 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.

Kalorimeter für die Messung der bei einer chemischen Reaktion entstehenden Reaktionswärme werden als Reaktionskalorimeter bezeichnet.

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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 es ein Beckmann-Thermometer oder ein digitales Thermometer sein (Ablesegenauigkeit bis 0,01 K). Es gibt viele verschiedene Kalorimeter. Man kann sie in folgende Gruppen einteilen.

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.

Flüssigkeitskalorimeter

Es besteht aus einem doppelwandigen Kupferbehälter, dessen Zwischenraum mit Wasser gefüllt ist und 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. siehe auch: Bombenkalorimeter zur Brennwertbestimmung.

Adiabatische Kalorimeter

Die Temperaturdifferenz 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 ist umso leichter zu erreichen, je langsamer die Wärmeabgabe an das Kalorimeter erfolgt (20 bis 60 Minuten).

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.

Eiskalorimeter

Für Messungen von Wärmemengen bei 0°C gehört dieses Kalorimeter zu den genauesten. 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, 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.

Kondensationskalorimeter

Dieses Kalorimeter, häufig auch Dampfkalorimeter genannt, wird hauptsächlich zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes zwischen 100°C und 20°C 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.

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.

Reaktionskalorimeter

Reaktionskalorimeter sind für Chemieanwendungen optimierte Kalorimeter. Sie werden in der chemischen Verfahrensentwicklung verwendet, um die bei einer Reaktion entstehende Wärme und den zeitlichen Verlauf der Leistung zu messen. Die dabei gewonnenen wärmetechnischen Daten werden für die sicherheitstechnische Beurteilung des Prozesses und die Auslegung der Reaktor-Kühlsysteme benötigt.

Unterschieden werden:

• Wärmeflusskalorimeter,
• Wärmebilanzkalorimeter und
• adiabatische Kalorimeter

Wärmefluss- und Wärmebilanzkalorimeter bestehen i. d. R. aus einer Laborreaktoranlage mit einem möglichst präzisen Temperaturmesssystem. Diese Kalorimeter werden meist isotherm gefahren, d.h. über ein Manteltemperiersystem wird mit einem Regler die Reaktor-Innentemperatur konstant gehalten. Dann ist die über die Wand abgeführte Wärmeleistung identisch mit der chemisch erzeugten Leistung.

Im Wärmeflusskalorimeter wird die Temperaturdifferenz zwischen Temperiermantel und Reaktorinhalt gemessen und daraus die über die Wand transportierte Wärmeleistung berechnet.

Im Wärmebilanzkalorimeter werden die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Temperiermantels, sowie der Massenfluss des Temperiermediums gemessen und daraus die über die Wand transportierte Wärmeleistung berechnet.

Beim adiabatischen Kalorimeter befinden sich die Reaktanden in einem isolierten Gefäß. Die durch die Reaktion erzeugte Wärmeenergie wird aus der gemessenen Temperaturerhöhung berechnet.

Kalorimeter (Teilchenphysik)

In der Teilchenphysik versteht man unter einem Kalorimeter ein Instrument zur Bestimmung der Energie eines einzelnen Teilchens, siehe Kalorimeter (Teilchenphysik).

• Reaktionskalorimeterbe-x-old:Каларыметры