Ein Kalorimeter mag wie ein schickes wissenschaftliches Gerät klingen, aber es ist eigentlich ein sehr einfaches Wärmemessgerät, das Sie zu Hause mit zwei Kaffeetassen herstellen können. Es wird häufig in wissenschaftlichen Projektexperimenten verwendet und misst die Wärmemenge, die an einem chemischen oder physikalischen Prozess beteiligt ist, wie zum Beispiel die Wärmeübertragung oder die spezifische Wärme einer Substanz.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Die Temperatur einer Flüssigkeit ändert sich, wenn sie Energie gewinnt oder verliert. Ein Kalorimeter misst die Masse der Flüssigkeit und die Temperaturänderung der Flüssigkeit, um die von der Flüssigkeit gewonnene oder verlorene Energiemenge zu bestimmen.
Komponenten eines Kalorimeters
Ein Kalorimeter hat zwei Gefäße: ein äußeres Gefäß und ein inneres Gefäß. Die Luft zwischen den beiden Gefäßen wirkt als Wärmeisolator, dh es findet kein (oder nur minimaler) Wärmeaustausch zwischen dem Inneren des Innengefäßes und der Außenumgebung statt. Kalorimeter, die in wissenschaftlichen Labors verwendet werden, haben einen Faserring aus Isoliermaterial, um das Innengefäß in der Mitte des Außengefäßes zu halten. Sie umfassen ein Thermometer zum Messen der Temperatur der Flüssigkeit im Innengefäß und einen Rührer zum Rühren der Flüssigkeit und zur Verteilung der Wärme im gesamten Gefäß. Mit Styroporbechern, einem Deckel, einem Thermometer und einem Rührer lässt sich ganz einfach ein Kalorimeter zu Hause herstellen. Ein Kalorimeter mit "Kaffeetasse" ermöglicht jedoch mehr Wärmeaustausch mit seiner Umgebung und liefert weniger genaue Ergebnisse.
Wärmeübertragung messen
Wenn eine exotherme Reaktion (eine chemische Reaktion, die Energie durch Licht oder Wärme freisetzt) in einer Lösung in einem Kalorimeter auftritt, verwendet die Lösung Wärme, die ihre Temperatur erhöht. Wenn eine endotherme Reaktion (eine Reaktion, die Energie aus ihrer Umgebung absorbiert) auftritt, verliert die Lösung Wärme, wodurch ihre Temperatur sinkt. Der Temperaturunterschied, zusammen mit der spezifischen Wärme und Masse der Lösung, ermöglicht es Ihnen zu berechnen, wie viel Wärme die Reaktion verbraucht. Wenn Sie beispielsweise ein heißes Stück Kupfer in eine kühle Menge Wasser innerhalb eines Kalorimeters legen, fließt Wärme vom Kupfer zum Wasser. Die Temperatur des Kupfers sinkt und die Temperatur des Wassers steigt, bis sie die gleiche Temperatur haben (thermisches Gleichgewicht). Sie gewinnen oder verlieren während des Prozesses keine Wärme, da das Kalorimeter die gesamte Wärmeübertragung zwischen den beiden Substanzen ermöglicht.
Messen der spezifischen Wärme
Spezifische Wärme ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine Temperaturänderung von 1 Grad Celsius pro Gramm Stoff zu erzeugen, und sie variiert zwischen Stoffen. Die spezifische Wärme von Wasser beträgt beispielsweise 1,00 Kalorien/Gramm Grad Celsius. Um die spezifische Wärme eines unbekannten Metalls zu bestimmen, legen Sie ein erhitztes Stück des Metalls in Wasser in das Innengefäß des Kalorimeters. Nachdem Sie die Endtemperatur sowohl des Metalls als auch des Wassers gemessen haben, beispielsweise die höchste vom Wasser erreichte Temperatur, können Sie die spezifische Wärme des Metalls berechnen. Multiplizieren Sie zuerst die Wassermasse mit der spezifischen Wärme des Wassers mit der Temperaturänderung von Wasser, dann multiplizieren Sie die Metallmasse mit der Temperaturänderung des Metalls. Teilen Sie Ihre erste Antwort durch Ihre zweite Antwort, um die spezifische Wärme des Metalls zu bestimmen.