Ein Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Wärmemengen, die bei einem physikalischen, chemischen oder biologischen Prozess zugeführt oder empfangen werden. Es wird auch verwendet, um die spezifische Wärme eines Körpers zu kennen.
Wärmeübertragung ist nicht immer gleichbedeutend mit einer Temperaturänderung. Beispielsweise wird bei einem Schmelzphasenwechsel von Wasser die Wärmemenge für die molekulare Veränderung genutzt und die Temperatur des Wassers bleibt dabei konstant (null Grad Celsius).
Wenn die Energieänderungen bei konstantem Druck auftreten, ist die gesamte Energie, die in das thermodynamische System eintritt und es verlässt, Wärme. Das heißt, das Kalorimeter misst die ausgetauschte Energiemenge, die mit der Änderung der Enthalpien zusammenfällt.
Eine exotherme Reaktion ist eine Reaktion, die Wärme abgibt. Reaktionen, die Wärme aufnehmen, werden als endotherme Reaktionen bezeichnet.
Wie funktioniert ein Kalorimeter?
Die Wärmekapazität eines Objekts wird durch Eintauchen des Objekts in eine Flüssigkeit (normalerweise Wasser) ermittelt, deren Anfangstemperatur und Wärmekapazität bekannt sind.
Nach einiger Zeit haben die Flüssigkeit und das Objekt die gleiche Temperatur und die Gleichgewichtstemperatur erreicht.
Kennt man diese Daten, lässt sich mit der Temperaturdifferenz aus dem Energieerhaltungssatz die spezifische Wärme des Objekts berechnen.
Die von einem Objekt ausgetauschte Wärmemenge kann durch die folgende Formel bestimmt werden:
Q = m·c·Δt
Wo:
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Q ist die ausgetauschte Wärme.
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m ist die Masse des Objekts.
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c ist die spezifische Wärme des Objekts.
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Δt ist die Temperaturänderung während des Austauschvorgangs.
Daher ist in einem Kalorimeter die Wärmemenge, die in das Objekt eintritt oder es verlässt, gleich der Wärme, die in die Flüssigkeit im Kalorimeter eintritt oder diese verlässt. So:
m Objekt · c Objekt · Δt Objekt = m Flüssigkeit · c Flüssigkeit · Δt Flüssigkeit
Was ist die spezifische Wärme von Wasser?
Die spezifische Wärme von Wasser beträgt 1 cal/°C·g. Das heißt, es braucht eine Wärme von einer Kalorie, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen. Im internationalen System betragen sie 4186 J/g·ºC.
Arten von Kalorimetern
Die drei gängigsten Arten von Kalorimetern sind:
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Temperaturvariationskalorimeter: Die Operation basiert auf der Temperaturänderung einer Substanz.
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Isothermisches Kalorimeter: Die Operation basiert auf der Änderung des Aggregatzustands der Substanz.
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Adiabatisches Kalorimeter: Die Flüssigkeit tauscht keine Wärme mit der Außenumgebung aus, was durch eine zusätzliche Isolierung des Geräts mit Hilfe eines Außenmantels erreicht wird, durch den die Flüssigkeit mit der gleichen Temperatur wie im Inneren zirkuliert.
Woraus besteht ein Kalorimeter?
Das am weitesten verbreitete Kalorimeter besteht aus:
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Ein geschlossener und vollständig isolierter Behälter mit Wasser.
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Ein Gerät zum Rühren
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Ein Thermometer.
Die Wärmequelle befindet sich innerhalb des Kalorimeterbehälters. Das Rührwerk dient dazu, die thermodynamische Änderung zu beschleunigen und das thermische Gleichgewicht früher zu erreichen. Schließlich wird das Thermometer verwendet, um die Temperaturdifferenz während des Prozesses zu kennen.
Was ist ein Bombenkalorimeter?
Ein Bombenkalorimeter ist das gleiche Gerät, arbeitet aber mit konstanter Lautstärke. Diese Art von Gerät wird verwendet, um die Verbrennungswärme einer bestimmten Art von Reaktion zu messen, die einen hohen Druck erfordert.
Bei einigen chemischen Reaktionen, wie z. B. der Verbrennung, wird ein schwerer Stahlbehälter namens Bombe verwendet, um die Reaktion zu halten. Die Stahlbombe wird in den Kalorimeterbehälter eingeführt und die Reaktion gestartet.