Kalorimetrie

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.

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.