Kalorimetrie
Kalorimetrie - Wärmeentwicklung, Messverfahren, Energiemessung
Kalorimetrie ist die Lehre zur Messung von Wärmemengen, die bei biologischen, chemischen oder physikalischen Vorgängen freigesetzt oder aufgenommen werden. Diese Technik, begründet von Joseph Black im Jahr 1756, findet vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Industrie.
Linseis produziert eine breite Palette an Kalorimetern, darunter besonders leistungsstarke Lösungen in der Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC). Unsere Geräte decken ein breites Anwendungsspektrum ab und bieten höchste Präzision.
Wir bieten jetzt auch ein Batteriekalorimeter an, das speziell für die Untersuchung der Wärmeentwicklung von Batterien entwickelt wurde.
Messgrößen und Applikationen:
- Bestimmung der Reaktionswärme: Messen der bei chemischen Reaktionen freigesetzten oder aufgenommenen Wärme.
- Energiegehalt von Nährstoffen: Direkte Kalorimetrie zur Bestimmung des Kaloriengehalts.
- Thermische Stabilität und Sicherheitsanalysen: Untersuchen der thermischen Eigenschaften von Batterien und Materialien.
- Glasübergangstemperaturen (Tg): Bestimmen der Temperatur, bei der Materialien in den glasigen Zustand übergehen.
- Phasenübergänge: Erkennen von fest-flüssig Übergängen oder anderen Phasenwechseln.
- Grundumsatzmessung: Indirekte Kalorimetrie zur Messung des Energieumsatzes im menschlichen Körper.
- Sintertemperaturen und -stufen: Analyse der optimalen Sinterbedingungen für Materialien.
- Optimierung von Brennprozessen: Untersuchung und Optimierung von thermischen Prozessen in der Industrie.
Linseis-Kalorimeter entsprechen internationalen Normen und bieten Lösungen für verschiedenste wissenschaftliche und industrielle Anwendungen.
Linseis Kalorimeter-Serie
IBC - Isothermal Battery Calorimeter
Arten von Kalorimetern
- Anisotherme Kalorimeter: Diese sind gegenüber der Umgebung wärmeisoliert und eignen sich für schnelle Reaktionen.
- Isotherme Kalorimeter: Hier bleibt die Temperatur während des gesamten Messvorgangs konstant. Die freigesetzte oder aufgenommene Wärme wird durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebung ausgeglichen. Sie werden auch als Phasenumwandlungskalorimeter bezeichnet und eignen sich für langsame Reaktionen über mehrere Stunden.
- Adiabatische Kalorimeter: Diese sind so konstruiert, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Die Temperatur des Systems ändert sich während der Reaktion. Sie eignen sich für Reaktionen.
- Isoperibole Kalorimeter: Diese Kalorimeter halten die Temperatur des umgebenden Mantels konstant, während die Temperatur des Reaktionsgefäßes variieren kann. Sie bieten eine gute Balance zwischen Genauigkeit und praktischer Anwendbarkeit.
- Dynamische Differenzkalorimeter (DSC): DSC misst die Wärmemengen, die aus einer Probe fließen, während sie kontrolliert erhitzt oder gekühlt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und einer Referenz wird gemessen. Diese Methode wird häufig in der Materialwissenschaft und Polymerforschung verwendet.
- Bombenkalorimeter: Ein Bombenkalorimeter ist ein geschlossenes System, in dem eine Probe unter Sauerstoffatmosphäre verbrannt wird. Die entstehende Wärme wird an ein umgebendes Wasserbad abgegeben, und die Temperaturänderung wird gemessen. Diese Kalorimeter werden zur Bestimmung der Verbrennungswärme von festen und flüssigen Brennstoffen verwendet.
- Einwurf-Kalorimeter: Bei Einwurf-Kalorimetern wird eine Probe in ein vorgeheiztes Kalorimeter eingeworfen, und die resultierende Temperaturänderung wird gemessen. Diese Methode wird oft in der Grundlagenforschung eingesetzt.
- Verbrennungskalorimeter: Diese sind speziell für die Messung der Verbrennungswärme von Proben unter kontrollierten Bedingungen konzipiert. Sie arbeiten oft mit einem Sauerstoffüberschuss. Anwendung: Bestimmung des Brennwerts von Brennstoffen und Nahrungsmitteln. Weit verbreitet in der Energiewirtschaft und Ernährungswissenschaft.
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Anwendung der Kalorimetrie in der Industrie
Die Kalorimetrie wird in der Industrie zur Messung des Luftstroms eingesetzt. Kalorimetrische Luftstromsensoren messen die Wärmemenge in einem beheizten Element im Verhältnis zum Luftstrom und werden in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie in der Automobilindustrie eingesetzt.
Die Temperaturänderung in einem Kalorimeter wird gemessen, um die freigesetzte oder benötigte Wärmemenge zu berechnen:
Vorteile der direkten Kalorimetrie
- Höhere Genauigkeit: Die direkte Messung liefert präzisere Ergebnisse.
- Direkte Wärmeproduktion: Erfasst die tatsächlich freigesetzte Wärme.
- Unabhängig von Stoffwechselprozessen: Eignet sich für verschiedene Reaktionen.
- Erfasst alle Energieformen: Misst die insgesamt freigesetzte Energie.
- Anwendbar für komplexe Reaktionen: Zuverlässigere Ergebnisse.
- Kein Einfluss von Atmung/Stoffwechsel: Objektivere Messungen.
Durchführung einer kalorimetrischen Messung
- Reaktion in einem isolierten Kalorimeter durchführen.
- Temperaturänderung
- Wärmemenge
- Exakte Umrechnung der Wärmemenge in Enthalpie:
- Molare Reaktionsenthalpie durch die Menge der Reaktanten teilen.
Genauigkeit und Unterschiede in der Kalorimetrie
Es ist wichtig zu beachten, dass die Genauigkeit der Messung von der Isolierung des Kalorimeters und der Geschwindigkeit der Reaktion abhängt. Schnelle und vollständige Reaktionen liefern in der Regel genauere Ergebnisse.
Adiabatische und isotherme Kalorimetrie unterscheiden sich in folgenden Hauptaspekten:
- Temperaturverlauf:
- Bei der adiabatischen Kalorimetrie ändert sich die Temperatur während der Messung. Es findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt.
- Bei der isothermen Kalorimetrie bleibt die Temperatur konstant. Die freigesetzte oder aufgenommene Wärme wird durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebung ausgeglichen.
- Wärmeaustausch:
- Adiabatische Kalorimeter sind gut isoliert, um Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verhindern.
- Isotherme Kalorimeter erlauben einen kontrollierten Wärmeaustausch, um die Temperatur konstant zu halten.
- Messgröße:
- Bei adiabatischen Messungen wird die Temperaturänderung erfasst.
- Bei isothermen Messungen wird die ausgetauschte Wärmemenge gemessen, z.B. durch Phasenumwandlungen.
- Anwendungsbereich:
- Adiabatische Kalorimetrie eignet sich für schnelle Reaktionen (20-60 Minuten).
- Isotherme Kalorimetrie wird für langsame Reaktionen über mehrere Stunden eingesetzt.
- Genauigkeit:
- Isotherme Kalorimeter, insbesondere Phasenumwandlungskalorimeter, können sehr hohe Genauigkeiten erzielen.
- Durchführung:
- Adiabatische Messungen erfordern eine schnelle Durchführung, um Wärmeverluste zu minimieren.
- Isotherme Messungen können langsamer durchgeführt werden, da die Temperatur konstant gehalten wird.
Die Kalorimetrie ist ein vielseitiges Werkzeug, das in verschiedenen Bereichen von der Ernährungswissenschaft bis zur Prozesssteuerung eingesetzt wird. Sie ermöglicht präzise Messungen von Energieumwandlungen und trägt so zu einem besseren Verständnis und einer effizienteren Kontrolle von thermischen Prozessen bei.
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