KALORIMETER: GESCHICHTE, TEILE, TYPEN UND IHRE EIGENSCHAFTEN - CHEMIE - 2025

Das Kalorimeter ist ein Gerät zur Messung der Temperaturänderung einer Substanzmenge (normalerweise Wasser) mit bekannter spezifischer Wärme. Diese Temperaturänderung ist auf die Wärme zurückzuführen, die während des untersuchten Prozesses absorbiert oder freigesetzt wird. chemisch, wenn es sich um eine Reaktion handelt, oder physikalisch, wenn es sich um eine Phasen- oder Zustandsänderung handelt.

Im Labor ist das einfachste Kalorimeter, das gefunden werden kann, das des Kaffeeglases. Es wird verwendet, um die Wärme zu messen, die bei einer Reaktion bei konstantem Druck in wässriger Lösung absorbiert oder freigesetzt wird. Die Reaktionen werden so ausgewählt, dass keine Reagenzien oder gasförmigen Produkte eingreifen.

Quelle: Von Ichwarsnur, aus Wikimedia Commons Bei einer exothermen Reaktion kann die freigesetzte Wärmemenge aus dem Temperaturanstieg des Kalorimeters und der wässrigen Lösung berechnet werden:

Wärmemenge, die bei der Reaktion abgegeben wird = vom Kalorimeter aufgenommene Wärmemenge + von der Lösung aufgenommene Wärmemenge

Die Wärmemenge, die das Kalorimeter aufnimmt, wird als Wärmekapazität des Kalorimeters bezeichnet. Dies wird bestimmt, indem dem Kalorimeter eine bekannte Wärmemenge mit einer gegebenen Wassermasse zugeführt wird. Dann wird der Temperaturanstieg des Kalorimeters und der darin enthaltenen Lösung gemessen.

Mit diesen Daten und der Verwendung der spezifischen Wasserwärme (4,18 J / g.ºC) kann die Kalorienkapazität des Kalorimeters berechnet werden. Diese Kapazität wird auch als Kalorimeterkonstante bezeichnet.

Andererseits ist die durch die wässrige Lösung gewonnene Wärme gleich m · ce · Δt. In der Formel m = Wassermasse, ce = spezifische Wasserwärme und Δt = Temperaturschwankung. Wenn man das alles weiß, kann man die Wärmemenge berechnen, die durch die exotherme Reaktion freigesetzt wird.

Geschichte des Kalorimeters

Im Jahr 1780 verwendete AL Lavoisier, ein französischer Chemiker, der als einer der Väter der Chemie gilt, ein Meerschweinchen, um die Wärmeerzeugung anhand seiner Atmung zu messen.

Wie? Verwendung eines kalorimeterähnlichen Geräts. Die vom Meerschweinchen erzeugte Wärme wurde durch den schmelzenden Schnee, der die Apparatur umgab, deutlich.

Die Forscher A. L. Lavoisier (1743-1794) und PS Laplace (1749-1827) entwarfen ein Kalorimeter, mit dem die spezifische Wärme eines Körpers nach der Methode des Eisschmelzens gemessen wurde.

Das Kalorimeter bestand aus einem zylindrischen lackierten Zinnbecher, der von einem Stativ getragen und innen mit einem Trichter abgeschlossen wurde. Darin befand sich ein weiteres Glas, ähnlich dem vorherigen, mit einem Rohr, das durch die äußere Kammer führte und mit einem Schlüssel versehen war. In dem zweiten Glas befand sich ein Gestell.

Das Wesen oder Objekt, dessen spezifische Wärme bestimmt werden sollte, wurde auf dieses Gitter gelegt. Eis wurde wie im Korb in die konzentrischen Gläser gegeben.

Die vom Körper erzeugte Wärme wurde vom Eis absorbiert und schmolz. Und das flüssige Wasserprodukt des Schmelzens des Eises wurde gesammelt, wodurch der innere Glasschlüssel geöffnet wurde.

Und schließlich war bei schwerem Wasser die Masse des geschmolzenen Eises bekannt.

Teile

Das in Chemie-Lehrlabors am häufigsten verwendete Kalorimeter ist das sogenannte Kaffeetassenkalorimeter. Dieses Kalorimeter besteht aus einem Becher oder stattdessen einem Behälter mit Anime-Material, der bestimmte Isoliereigenschaften aufweist. In diesem Behälter befindet sich die wässrige Lösung mit dem Körper, der Wärme erzeugen oder absorbieren wird.

Am oberen Teil des Behälters befindet sich ein Deckel aus Isoliermaterial mit zwei Löchern. In einem ist ein Thermometer eingesetzt, um Temperaturänderungen zu messen, und in dem anderen ein Rührer, vorzugsweise aus Glasmaterial, der die Funktion erfüllt, den Inhalt der wässrigen Lösung zu bewegen.

Das Bild zeigt die Teile eines Bombenkalorimeters; Es ist jedoch ersichtlich, dass das Thermometer und der Rührer gemeinsame Elemente in mehreren Kalorimetern haben.

Typen und ihre Eigenschaften

Die Tasse Kaffee

Es ist dasjenige, das zur Bestimmung der durch eine exotherme Reaktion freigesetzten Wärme und der bei einer endothermen Reaktion absorbierten Wärme verwendet wird.

Darüber hinaus kann es zur Bestimmung der spezifischen Wärme eines Körpers verwendet werden; das heißt, die Wärmemenge, die ein Gramm der Substanz aufnehmen muss, um ihre Temperatur um ein Grad Celsius zu erhöhen. .

Die kalorimetrische Bombe

Es ist ein Gerät, bei dem die Wärmemenge gemessen wird, die bei einer Reaktion mit konstantem Volumen abgegeben oder absorbiert wird.

Die Reaktion findet in einem starken Stahlbehälter (der Pumpe) statt, der in ein großes Wasservolumen eingetaucht ist. Dies hält die Wassertemperaturänderungen klein. Daher wird angenommen, dass die mit der Reaktion verbundenen Änderungen bei konstantem Volumen und konstanter Temperatur gemessen werden.

Dies zeigt an, dass keine Arbeit erledigt wird, wenn eine Reaktion in einem Bombenkalorimeter durchgeführt wird.

Die Reaktion wird durch Stromversorgung über an die Pumpe angeschlossene Kabel gestartet.

Das adiabatische Kalorimeter

Es zeichnet sich durch eine isolierende Struktur aus, die als Abschirmung bezeichnet wird. Die Abschirmung befindet sich um die Zelle herum, wo Wärme- und Temperaturänderungen auftreten. Ebenso ist es an ein elektronisches System angeschlossen, das seine Temperatur sehr nahe an der der Zelle hält und so eine Wärmeübertragung vermeidet.

In einem adiabatischen Kalorimeter wird der Temperaturunterschied zwischen dem Kalorimeter und seiner Umgebung minimiert; sowie Minimierung des Wärmeübergangskoeffizienten und der Zeit für den Wärmeaustausch.

Seine Teile bestehen aus:

-Die Zelle (oder der Behälter), die in ein Isolationssystem integriert ist, mit dessen Hilfe versucht wird, Wärmeverluste zu vermeiden.

-Das Thermometer zur Messung von Temperaturänderungen.

-Eine Heizung, die an eine steuerbare elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist.

-Und der Schild, bereits erwähnt.

Bei diesem Kalorimetertyp können Eigenschaften wie Entropie, Debye-Temperatur und Zustandselektronendichte bestimmt werden.

Das Isoperibol-Kalorimeter

Es ist eine Vorrichtung, bei der die Reaktionszelle und die Pumpe in eine Struktur eingetaucht sind, die als Mantel bezeichnet wird. In diesem Fall besteht der sogenannte Mantel aus Wasser, das auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.

Die Temperatur der Zelle und der Pumpe steigt an, wenn während des Verbrennungsprozesses Wärme freigesetzt wird. Die Temperatur des Wassermantels wird jedoch auf einer festen Temperatur gehalten.

Ein Mikroprozessor regelt die Temperatur der Zelle und des Mantels und nimmt die erforderlichen Korrekturen für die Leckwärme vor, die sich aus den Unterschieden zwischen den beiden Temperaturen ergibt.

Diese Korrekturen werden kontinuierlich und mit einer endgültigen Korrektur basierend auf Messungen vor und nach dem Test angewendet.

Das Durchflusskalorimeter

Es wurde von Caliendar entwickelt und verfügt über eine Vorrichtung zum Bewegen eines Gases in einem Behälter mit konstanter Geschwindigkeit. Durch Wärmezufuhr wird der Temperaturanstieg in der Flüssigkeit gemessen.

Das Durchflusskalorimeter zeichnet sich aus durch:

- Eine genaue Messung der Geschwindigkeit des konstanten Durchflusses.

- Genaue Messung der Wärmemenge, die durch eine Heizung in die Flüssigkeit eingeleitet wird.

- Eine genaue Messung des Temperaturanstiegs im Gas, der durch den Energieeintrag verursacht wird

- Ein Entwurf zur Messung der Kapazität eines unter Druck stehenden Gases.

Das Kalorimeter für die Differentialscanningkalorimetrie

Es zeichnet sich durch zwei Behälter aus: In einem wird die zu untersuchende Probe platziert, während der andere leer gehalten wird oder ein Referenzmaterial verwendet wird.

Die beiden Gefäße werden mittels zweier unabhängiger Heizgeräte mit konstanter Energierate beheizt. Wenn sich die beiden Gefäße zu erwärmen beginnen, zeichnet der Computer die Differenz des Wärmeflusses der Heizungen gegen die Temperatur auf und bestimmt so den Wärmefluss.

Weiterhin kann die Variation der Temperatur als Funktion der Zeit bestimmt werden; und schließlich die Kalorienkapazität.

Anwendungen

In der Physikochemie

-Die Grundkalorimeter vom Typ Kaffeetasse ermöglichen die Messung der Wärmemenge, die ein Körper abgibt oder aufnimmt. In ihnen können Sie feststellen, ob eine Reaktion exotherm oder endotherm ist. Weiterhin kann die spezifische Wärme eines Körpers bestimmt werden.

- Mit dem adiabatischen Kalorimeter konnten die Entropie eines chemischen Prozesses und die elektronische Dichte des Zustands bestimmt werden.

In biologischen Systemen

-Mikrokalorimeter werden verwendet, um biologische Systeme zu untersuchen, die Wechselwirkungen zwischen Molekülen sowie die auftretenden molekularen Konformationsänderungen umfassen. zum Beispiel bei der Entfaltung eines Moleküls. Die Linie umfasst sowohl Differentialscanning als auch isotherme Titration.

-Das Mikrokalorimeter wird bei der Entwicklung von niedermolekularen Arzneimitteln, Biotherapeutika und Impfstoffen verwendet.

Sauerstoffpumpenkalorimeter und Kalorienleistung

Im Sauerstoffbombenkalorimeter tritt die Verbrennung vieler Substanzen auf und sein Kalorienwert kann bestimmt werden. Zu den mit diesem Kalorimeter untersuchten Substanzen gehören: Kohle und Koks; schwere und leichte Speiseöle; Benzin und alle Kraftstoffe.

Sowie die Arten von Treibstoffen für Flugzeugjets; Abfallbrennstoff und Abfallentsorgung; Lebensmittel und Nahrungsergänzungsmittel für die menschliche Ernährung; Futterpflanzen und Ergänzungsmittel für Tierfutter; Baumaterialien; Raketentreibstoffe und Treibmittel.

Ebenso wurde die Kalorienleistung durch Kalorimetrie in thermodynamischen Untersuchungen brennbarer Materialien bestimmt; bei der Untersuchung der Energiebilanz in der Ökologie; in Sprengstoffen und thermischen Pulvern und in der Vermittlung grundlegender thermodynamischer Methoden.

Verweise

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