Kalorimeter

Ein Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Wärmemenge, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen freigesetzt oder absorbiert wird.

Moderne Kalorimeter arbeiten im Temperaturbereich von 0,1 bis 3500 Kelvin und ermöglichen es Ihnen, die Wärmemenge mit einer Genauigkeit von 0,01 bis 10% zu messen. Die Anordnung der Kalorimeter ist sehr unterschiedlich und wird durch die Art und Dauer des untersuchten Prozesses, den Temperaturbereich, bei dem Messungen durchgeführt werden, die gemessene Wärmemenge und die erforderliche Genauigkeit bestimmt.

In der Thermodynamik werden Kalorimeter verwendet, um die Enthalpie eines thermodynamischen Prozesses zu messen.

Kalorimeter und Sonnenenergie

Eine der Anwendungen von Kalorimetern im Bereich der Solarenergie findet sich in solarthermischen Energiesystemen. Diese Geräte sind wichtig für die Berechnung des Wärmewirkungsgrads in Heizungsanlagen und für die Warmwasserbereitung.

Das Kalorimeter in einer Heizungsanlage ist ein Gerät, das in jeden Heizkörper eingebaut ist und zwei Temperaturen misst: die der Oberfläche desselben und die der Umgebung des Raumes, wobei der Verbrauch anhand dieser Daten und auf der Grundlage der Merkmale und berechnet wird Kühlergröße

Arten von Kalorimetern

Ein Kalorimeter, das die Gesamtmenge an Wärme Q misst, die während des Prozesses von Anfang bis Ende freigesetzt wird, wird als integrierendes Kalorimeter bezeichnet.

Das Kalorimeter dient zur Messung der Wärmeleistung und ihrer Änderungen in verschiedenen Phasen des thermodynamischen Prozesses mit Hilfe eines Leistungsmessers oder eines Oszilloskop-Kalorimeters. Die Auslegung des Kalorimetriesystems und die Messmethode unterscheiden zwischen Flüssig- und Massivkalorimetern (einfach und doppelt).

Flüssigkeitsintegrierendes Kalorimeter

Ein Flüssigkalorimeter-Integrator mit variabler Temperatur und isothermer Abdeckung wird zur Messung der Auflösungswärme und der Wärme chemischer Reaktionen oder der chemischen Energie verwendet. Es besteht aus einem Behälter mit einer Flüssigkeit (üblicherweise Wasser), in dem sich befinden: eine Kammer zur Durchführung des untersuchten Prozesses ("kalorimetrische Pumpe"), ein Rührer, eine Heizung und ein Thermometer. Die in der Kammer freigesetzte Wärme wird dann auf die Kammer, die Flüssigkeit und andere Teile des Kalorimeters verteilt, dessen Gesamtheit als kalorimetrisches System des Geräts bezeichnet wird.

In Flüssigkalorimetern bleibt die isotherme Temperatur der Abdeckung konstant. Bei der Bestimmung der Wärme einer chemischen Reaktion sind die größten Schwierigkeiten häufig nicht mit der Berücksichtigung von Sekundärprozessen verbunden, sondern mit der Bestimmung der Integrität der Reaktion und der Notwendigkeit, mehrere Reaktionen zu berücksichtigen.

Kalorimetrische Messungen

Durch eine Änderung des Zustands (z. B. der Temperatur) des kalorimetrischen Systems können Sie die Wärmemenge messen, die in das Kalorimeter eingeleitet wird. Die Erwärmung der Kalorimetrie wird mit einem Thermometer erfasst. Vor den Messungen wird das Kalorimeter kalibriert: Die Temperaturänderung des kalorimetrischen Systems wird bestimmt, wenn ihm eine bekannte Wärmemenge mitgeteilt wird (durch eine Kalorimeterheizung oder infolge einer chemischen Reaktion in der Kammer mit einer bekannten Wärmemenge von a Standardsubstanz).

Als Ergebnis der Kalibrierung wird der Wärmewert des Kalorimeters erhalten, dh der Koeffizient, mit dem die vom Thermometer gemessene Änderung der Temperatur des Kalorimeters multipliziert werden muss, um die in das Kalorimeter eingebrachte Wärmemenge zu bestimmen. Der Wärmewert eines solchen Kalorimeters ist die Wärmekapazität des kalorimetrischen Systems. Die Bestimmung des unbekannten Brennwerts oder einer anderen Reaktion der chemischen Thermodynamik Q wird reduziert, um die Temperaturänderung Δt des kalorimetrischen Systems zu messen, die durch den untersuchten Prozess verursacht wird: Q = c Δt. Typischerweise bezieht sich der Q-Wert auf die Masse der Substanz in der Kalorimeterkammer.

Sekundärprozesse bei kalorimetrischen Messungen

Die kalorimetrischen Messungen ermöglichen es, nur die Summe der Erhitzungen des untersuchten Prozesses und mehrerer Sekundärprozesse wie Mischen, Wasserverdampfen, Aufbrechen einer Ampulle mit einer Substanz usw. direkt zu bestimmen. Die Wärme der Nebenprozesse muss empirisch oder rechnerisch ermittelt und vom Endergebnis ausgeschlossen werden.

Einer der unvermeidlichen sekundären thermodynamischen Prozesse ist der Wärmeaustausch des Kalorimeters mit der Umgebung durch Strahlung und Wärmeleitfähigkeit. Um den Nebenprozessen und vor allem der Wärmeübertragung Rechnung zu tragen, ist das kalorimetrische System von einer Schale umgeben, deren Temperatur geregelt wird.

Isothermes integrierendes Kalorimeter

Bei der Untersuchung der Thermodynamik gibt es einen anderen Typ eines integrativen Kalorimeters: Isotherm (konstante Temperatur). Die eingebrachte Wärme verändert nicht die Temperatur des kalorimetrischen Systems, sondern bewirkt eine Änderung des Aggregatzustands des Körpers, der Teil dieses Systems ist (zum Beispiel) (das Eis schmilzt im Bunseneiskalorimeter).

Die eingebrachte Wärmemenge berechnet sich in diesem Fall aus der Masse des Stoffes, der den Aggregatzustand verändert hat (z. B. die Masse des geschmolzenen Eises, die sich an der Volumenänderung des Gemisches aus Eis und Wasser messen lässt). und die Wärme des Phasenübergangs.

Massenintegratives Kalorimeter

Ein massives integratives Kalorimeter wird häufiger verwendet, um die Enthalpie von Substanzen bei hohen Temperaturen (bis zu 2500 Grad Celsius) zu bestimmen. Das kalorimetrische System für diesen Kalorimetertyp ist ein Metallblock (normalerweise Kupfer oder Aluminium) mit Löchern für das Gefäß, in dem die Reaktion stattfindet, für das Thermometer und die Heizung.

Die Enthalpie eines Stoffes berechnet sich als Produkt des Wärmewerts des Kalorimeters aus der Differenz des Temperaturanstiegs des Blocks, gemessen nach dem Fallenlassen eines Blisters mit einer bestimmten Substanzmenge in seinem Nest und anschließender Erwärmung eines leeren Blisters auf die gleiche Temperatur

Labyrinthkalorimeter Durchfluss

Die Wärmekapazität von Gasen und manchmal von Flüssigkeiten wird in der sogenannten bestimmt. Durchflusslabyrinthkalorimeter: Entsprechend der Temperaturdifferenz am Ein- und Ausgang eines stationären Flüssigkeits- oder Gasstroms, der Leistung dieses Stroms und der Wärme in Joule, die von der elektrischen Heizung des Kalorimeters abgegeben wird.

Kalorimeter - Leistungsmesser

Ein Kalorimeter, das im Gegensatz zu einem integrierten Kalorimeter als Leistungsmesser fungiert, muss einen erheblichen Wärmeaustausch aufweisen, damit die in das Kalorimeter eingebrachte Wärmemenge schnell abgeführt und der Kalorimeterstatus durch den Momentanwert der Leistung bestimmt wird des thermischen Prozesses. Die Wärmeleistung des Prozesses ergibt sich aus dem Wärmeaustausch des Kalorimeters mit dem Gehäuse.

Diese vom französischen Physiker E. Calvet entwickelten Kalorimeter sind ein Metallblock mit Kanälen, in denen sich die zylindrischen Zellen befinden. In der Zelle wird der untersuchte Prozess durchgeführt; Ein Metallblock spielt die Rolle einer Hülle (seine Temperatur bleibt mit einer Genauigkeit von 10 -5 - 10 -6 K konstant). Die Temperaturdifferenz zwischen der Zelle und dem Gerät wird mit einer Thermosäule mit bis zu 1000 Fugen gemessen. Der Wärmeaustausch der Zelle und die EMK der Thermosäule sind proportional zu der geringen Temperaturdifferenz, die zwischen der Einheit und der Zelle entsteht, wenn Wärme freigesetzt oder absorbiert wird.

Sehr häufig werden zwei Zellen in den Block eingesetzt, die als Differentialkalorimeter fungieren: Die Thermosäule jeder Zelle hat die gleiche Anzahl von Verbindungsstellen, und daher können Sie den Leistungsunterschied anhand der EMK-Differenz direkt bestimmen des Wärmestroms in die Zellen.

Diese Messmethode eliminiert die Verfälschung des durch zufällige Schwankungen der Blocktemperatur gemessenen Wertes. In der Regel sind in jeder Zelle zwei Wärmebatterien eingebaut: Mit einer können Sie die Wärmeleistung des untersuchten Prozesses anhand des Peltier-Effekts kompensieren und mit der anderen (Indikator) wird der nicht kompensierte Teil des Wärmestroms gemessen. In diesem Fall arbeitet das Gerät als Differentialkompensationskalorimeter. Bei Raumtemperatur messen Kalorimeter die Wärmeleistung von Prozessen mit einer Genauigkeit von 1 μW.