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Kalorimeter

 

das, -s/-,  

 1) Physik und Chemie: Gerät zur Messung von Wärmemengen, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen erzeugt oder verbraucht werden, sowie von spezifischen Wärmekapazitäten (Kalorimetrie). Als indirekte Messgröße benutzt man die Temperaturänderung ΔT von Körpern bekannter spezifischer Wärmekapazität c und Masse m (oft Wasser, auch gut wärmeleitende Metalle) nach der Beziehung Q = m · c · ΔT oder die Reaktionswärme einfach reproduzierbarer Prozesse (Schmelzwärme von Eis, Verdampfungs- beziehungsweise Kondensationswärme von Wasser) nach der Beziehung Q = k · m (k = spezifische Schmelz-, Verdampfungs- beziehungsweise Kondensationswärme). Zum Vergleich beziehungsweise als Eichgröße dient fast stets die Wärmeentwicklung Q eines elektrischen Gleichstromes nach dem jouleschen Gesetz Q = U · I · Δt.

 

Zur Charakterisierung der Arbeitsweise von Kalorimetern betrachtet man die Temperaturen von Probe (Messsystem) T_M und Umgebung (Außengefäß des Kalorimeters) T_U. Ein isothermer Betrieb (T_M = T_U = const.) wird durch Kompensation des Messeffekts erzielt, die durch Phasenumwandlungen oder thermoelektrische Effekte erreicht wird, speziell bei endothermen Prozessen durch elektrische Heizung, bei exothermen Prozessen durch Kühlung (Peltier-Element). Bei isoperibolem Betrieb wird T_U konstant gehalten. Bei adiabatischem Betrieb findet kein Wärmeaustausch zwischen Probe und Umgebung statt; diese Arbeitsweise wird bei schnellen Prozessen realisiert oder wenn T_M = T_U durch zeitlich unterschiedliche Heizung beziehungsweise Kühlung von Messsystem und Umgebung mittels elektronischer Regelung eingestellt wird.

 

Es existiert eine Vielzahl von Kalorimeterverfahren und Gerätetypen; neben der Betriebsart dient auch das benutzte Messprinzip zur Charakterisierung eines Kalorimeters. Zu den Kalorimetern, bei denen eine Temperaturdifferenz gemessen wird, gehört das Erwärmungskalorimeter, in dem die Probe oder das Reaktionsgefäß in eine Substanz mit guter Leitfähigkeit (Wasser, Metallblock aus Kupfer) eingebracht und die zeitliche Temperaturänderung des Prozesses gemessen wird. Dieser Kalorimetertyp ist im Flüssigkeitskalorimeter beziehungsweise im Bombenkalorimeter realisiert. Die Berthelot-Bombe zur Messung von Verbrennungswärmen ist ein starkwandiges Stahlgefäß, das die zu verbrennende Substanz in einem feuerfesten Tiegel enthält und mit reinem Sauerstoff mit einem Druck von 25 bis 35 MPa gefüllt ist; die Zündung der Verbrennung erfolgt elektrisch. Örtliche Temperaturdifferenzen werden in Strömungskalorimetern und in Wärmeleitungskalorimetern gemessen. Eis- beziehungsweise Dampfkalorimeter sind Phasenumwandlungskalorimeter; in ihnen ergibt sich die Wärmemenge aus der Bestimmung des Schmelzwassers beziehungsweise des kondensierten Wasserdampfes und den bekannten Werten von Schmelz- beziehungsweise Kondensationswärme. Bei Scanningkalorimetern werden die Umgebung und/oder die Probe zeitlinear aufgeheizt und die Temperatur des Messsystems registriert. Sie werden meist als Zwillings-(Differenzial-)Kalorimeter konstruiert, in denen die Temperaturerhöhung in einem Kalorimetergefäß durch eine elektrisch erzeugte Wärmemenge in einem zweiten gleichartigen Kalorimetergefäß kompensiert wird. Mit miniaturisierter Messtechnik werden geringe Wärmemengen kleiner Probemengen in Mikrokalorimetern nach verschiedenen Messprinzipien bestimmt.

 

Literatur:

 

F. Kohlrausch: Prakt. Physik, 3 Bde. (²⁴1996).

 

 2) Teilchenphysik: Teilchendetektor der Hochenergiephysik zur Messung der Energie und der Richtung von Reaktionsteilchen und -teilchenbündeln (Jets); für stark wechselwirkende Teilchen Hadronenkalorimeter, für Elektronen, Myonen und Photonen auch Schauerzähler genannt. Charakteristisch für ihren Aufbau ist eine Schichtstruktur (Sandwichstruktur): Lagen von Absorbermaterial hoher Dichte und Ordnungszahl (Eisen, Blei, abgereichertes Uran) zur Aufschauerung (Kaskadenschauer) der primär erzeugten Teilchen wechseln ab mit Szintillatorplatten (Szintillator), Ionisationskammern oder anderen Arten von Teilchendetektoren zum Nachweis der erzeugten Teilchen. Die Energiemessung erfolgt durch stichprobenartiges Zählen der in der Kaskade enthaltenen Teilchen (Samplingkalorimeter). Die Tiefe des Kalorimeters muss so groß sein, dass die gesamte Primärteilchenenergie absorbiert wird.

 

Literatur:

 

K. Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (³1992);

 C. Grupen: Teilchendetektoren (1993).