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Kalorimetrie

Chemische Thermodynamik
Zustandsgrößen und ihre Regeln / Enthalpie
Die Kalorimetrie beschäftigt sich mit Verfahren zur Messung von Wärmeänderungen bei chemischen Vorgängen (Reaktionen, Phasenänderungen). Wärme ist eine Form der Energie, welche zwischen Körpern ausgetauscht wird oder in andere Formen der Energie umgewandelt werden kann.

Aufbau eines Kalorimeters

Führt man einem Körper der Masse $m$ die Wärmemenge Q zu, so steigt die Temperaturerhöhung $\Delta T$ proportional zur zugeführten Wärmemenge. Der Proportionalitätsfaktor $c$ ist dabei eine Stoffkonstante und abhängig vom Stoff.

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T $

Wärmeänderungen sind somit immer als Temperaturänderungen wahrzunehmen, wobei die Temperatur den Zustand des Systems beschreibt und die Wärmeenergieänderung die Änderung des Systemzustandes kennzeichnet. Das jeweilige Verhältnis von Wärmeänderung und Temperaturänderung wird als Wärmekapazität eines Stoffes beschrieben.

$m \cdot c = \dfrac{Q}{\Delta T} $

Die Wärmekapazität beschreibt, wie viel Energie (Wärmeenergieänderung) notwendig ist, um bei einer bestimmten Masse einer Substanz die Temperatur um 1 °C zu erhöhen. Somit ist die Wärmeänderung abhängig von der Wärmekapazität aller beteiligten Bestandteile (Stoffe, Geräte) und der Temperaturänderung.

Wesentliche Größen sind:

  • Wärmekapazität $C$ eines Körpers mit der Masse m ist die Wärmemenge $Q$, die gebraucht wird, um diesen um 1 °C zu erwärmen,

$C = \dfrac{Q}{\Delta T} = \dfrac{Q}{T_1 -T_2} \Leftrightarrow Q = C \cdot \Delta T$

  • Spezifische Wärmekapazität $c$ einer Substanz ist die Wärmemenge, die nötig ist um 1 g um 1 °C zu erwärmen,

$c = \dfrac{C}{m} = \dfrac{Q}{m \cdot \Delta T} = \dfrac{Q}{m \cdot (T_1 -T_2)}$

  • Wärmekapazität des Kalorimeters: $C_kal$ ist ein gegebener Wert oder wurde über eine elektrische- oder über eine mischungs - Methode bestimmt.
  • Wärmemenge $Q$ ist immer die gesamte Wärmekapazität der gesamten Faktoren (Stoffe, Gefäße).

Mithilfe eines Kalorimeters wird die Wärmemenge, die bei chemischen Reaktionen frei oder entzogen wird, gemessen. Ein Kalorimeter ist immer so konstruiert, dass es ein Dewargefäß bildet und somit adiabatische Reaktionsbedingungen durch bestmögliche thermische Isolierung schafft.

In der Abbildung ist ein Versuchsaufbau zur Messung der Wärmekapazität des Kalorimeters zu sehen. Fließt durch die Heizspirale, an der die Spannung U anliegt, der Strom I, dann entsteht in der Zeit ∆t in ihr eine der elektrischen Energie äquivalente Wärmemenge:

$U \cdot I \cdot \Delta t = Q = (m_W \cdot c_W) + C_{Kalorimeter}$

$C_{Kalorimeter} = \dfrac{U \cdot I \cdot \Delta t}{m_W \cdot c_W}$

Q ist unter isobaren Bedingungen der Enthalpie (Wärmemengenänderung) gleichzusetzen und kann, wie oben beschrieben, über die Stoffe und Temperaturänderung bestimmt werden. Q gibt Aussagen über das Verhalten bei der Reaktion.

Multiple-Choice

Spezifische Wärmekapazität $c$ einer Substanz ist die Wärmemenge, die nötig ist um... ?

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Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Vorstellung des Online-Kurses Physikalische ChemiePhysikalische Chemie
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Physikalische Chemie

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  • Chemische Thermodynamik
    • Einleitung zu Chemische Thermodynamik
    • Fundamentale Begriffe der Chemie
      • Einleitung zu Fundamentale Begriffe der Chemie
      • Energie
      • Chemische Thermodynamik und Energetik
    • Grundlagen
      • Einleitung zu Grundlagen
      • Erhaltungssätze
      • Systemarten & Reaktionsbedingungen
    • Zustandsgrößen und ihre Regeln
      • Einleitung zu Zustandsgrößen und ihre Regeln
      • Enthalpie
        • Einleitung zu Enthalpie
        • Der Satz von Hess
        • Kalorimetrie
      • innere Energie
      • Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik
      • Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik
      • Freie Enthalpie
    • Auf einen Blick: Hauptsätze der Thermodynamik
    • Anwendungsbeispiele zum Verständis der Thermodynamik
      • Einleitung zu Anwendungsbeispiele zum Verständis der Thermodynamik
      • Bestimmung der Wärmekapazität eines Kalorimeters
      • Der Taschenwärmer
  • Kinetik: rund um die Reaktionsgeschwindigkeit
    • Einleitung zu Kinetik: rund um die Reaktionsgeschwindigkeit
    • Reaktionsgeschwindigkeit: beinflussende Faktoren
      • Einleitung zu Reaktionsgeschwindigkeit: beinflussende Faktoren
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          • Einleitung zu Enzymhemmung
          • Kompetitive Hemmung
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