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Kalorimēter

[490] Kalorimēter (lat.-griech., »Wärmemesser«), Vorrichtung zur Messung von Wärmemengen. Das Wasserkalorimeter ist ein gegen Wärmeaustausch mit der Umgebung durch schlechte Wärmeleiter, Luft- oder Vakuumschichten tunlichst geschütztes, möglichst leichtes, zum Schutz gegen Aufnahme von Wärmestrahlen spiegelnd poliertes Metallgefäß mit einer abgewogenen Menge, etwa m kg, Wasser, dessen Temperatur an einem Thermometer abgelesen werden kann. Führt man dem Wasser die zu messende Wärmemenge zu (z. B. Reibungswärme, elektrische Stromwärme, Strahlungswärme etc.), so steigt das Thermometer um t° und das Produkt m. t gibt die Menge der Wärme in (großen) Kalorien. Beim Eiskalorimeter macht man Gebrauch von der Tatsache, daß zum Schmelzen von 1 kg Eis 80 Kalorien gebraucht werden. Reicht also die zu messende Wärmemenge aus, m kg Eis zu schmelzen, so beträgt sie 80. m Kalorien. Beim Dampfkalorimeter läßt man die Wärme auf eine auf Siedetemperatur gehaltene Flüssigkeit, z. B. Wasser, übergehen und bestimmt den Gewichtsverlust, d. h. die gebildete Dampfmenge. Beträgt er m kg, so ist die Wärmemenge 536. m Kalorien, da zur Verdampfung von 1 kg Wasser bei 100° C. 536 Kalorien erfordert werden.

Besonders wichtig ist die Anwendung der K. zur Bestimmung der spezifischen Wärme der verschiedenen Stoffe. Da sich aus der spezifischen Wärme eines Körpers und dessen Wärmeinhalt die Temperatur ergibt, kann man das K. auch zur Bestimmung von Temperaturen, insbes. von sehr hohen oder sehr niedrigen, verwenden. Beispielsweise könnte eine Ofentemperatur ermittelt werden, indem man ein abgewogenes Stück Platin in dem Ofen erhitzt und dann in ein Eiskalorimeter bringt.

Fig. 1. Berthelots Mischungskalorimeter.

Um die Temperatur von fester Kohlensäure zu bestimmen, könnte man das darin abgekühlte Platinstück einem Dampfstrahl aussetzen und die Menge des daran kondensierten Wassers messen etc. Voraussetzung ist natürlich, daß die spezifische Wärme des Körpers konstant sei, was nicht genau zutrifft. Weiter werden K. gebraucht zur Bestimmung der Wärmetönungen bei chemischen Reaktionen. Bei dem Berthelotschen Mischungskalorimeter (Fig. 1) enthält ein becherförmiges Platingefäß a eine Flüssigkeit. Die Wärmetönung nach Zufügen einer zweiten gelösten Substanz kann an einem eingetauchten Thermometer abgelesen werden. Das Gefäß a steht auf Korkklötzchen in einem spiegelnd versilberten Kupfergefäß b. Die Luftschicht zwischen den Wandungen a u. b und die spitzen Korkklötzchen mindern den Wärmeverlust durch Leitung, und die Versilberung dämpft die Wärmestrahlung ab.

Fig. 2. Berthelots Kalorimeter zur Messung der Verbrennungswärme.

Beide Gefäße können durch genau angepaßte Deckel geschlossen werden. Das Gefäß b steht wieder auf Korkklotzen in dem doppelwandigen Gefäß c aus Stahlblech. Der Zwischenraum zwischen den Doppelwänden ist mit Wasser gefüllt, das durch ein Rührwerk d mit quer gestellten Schaufeln e, wenn nötig, fortwährend gemischt wird. Die Erwärmung dieses mit einer dichten Filzschicht umhüllten Schutzapparats gegen die Wärmestrahlung wird an dem eingesenkten Thermometer abgelesen. Zur Messung der Verbrennungswärme benutzt Berthelot ein mit Wasser gefülltes K. (Fig. 2), in das eine gläserne Bombe eintaucht. An dem Kautschukstöpsel im Halse a hängt ein Platindraht mit einem Platinschälchen b, in dem eine Substanz verbrannt wird. Die Verbrennungsgase werden rasch abgekühlt, indem ein Strom atmosphärischer Luft (oder Sauerstoff) durch bis nahe an den Boden der Bombe herabreichende Rohre c fortwährend zuströmt, durch die Öffnung d des um die Bombe gewundenen Spiralrohres[490] e wieder abströmt und auf diesem langen Wege seine Wärme an das Kalorimeterwasser abgibt. Der Kautschukstöpsel in a trägt eine kurze verschließbare Röhre, durch die ein kleines glühendes Kohlensplitterchen auf die zu verbrennende Substanz in b hinabgeworfen wird, um sie zu entzünden. Nach vollendeter Verbrennung und nach dem Ablesen der Erwärmung des Kalorimeters wird die Menge der durch den Gasstrom abgeleiteten Verbrennungsprodukte quantitativ bestimmt, um die Menge der tatsächlich verbrannten Substanz genau zu ermitteln. Bei der Untersuchung organischer Substanzen (z. B. der Nahrungsmittel) gelingt es meist nicht, die Verbrennung in so einfacher Weise herbeizuführen. Man mischt die Substanz dann mit einem gebundenen Sauerstoff enthaltenden Körper, wie chlorsaures Kali, oder füllt sie mit einer Zündmasse aus Naphthalin in eine Patrone aus durchlöchertem Platinblech, oder preßt sie mit Naphthalin zu einer Pastille.

Fig. 3. Berthelots Bombe.

Ein zu solchen Verbrennungen geeignetes K. hat Thompson angegeben. Es ist von Stohmann in wichtigen Punkten verbessert, von Rubner handlicher gemacht worden und lieferte eine Reihe überaus genauer Bestimmungen von Verbrennungswärmen. – Eine besonders exakte Methode ist die Verbrennung organischer Substanzen durch komprimierten Sauerstoff in dem von Berthelot angegebenen Bombenkalorimeter (Fig. 3). Dieses besteht aus einem Platintiegel a mit konisch eingeschliffenem Platindeckel b. Tiegel u. Deckel stecken in einem dickwandigen Tiegel c aus Gußstahl mit Überwurfsschraube d, welche die Platte e und mit ihr den Tiegeldeckel b niederpreßt. b und e sind doppelt durchbohrt. Durch den stielartigen Fortsatz von e geht ein Kanal f mit Gewinde, m den die durchbohrte Schraube g eingeschraubt wird. Durch letztere leitet man komprimierten Sauerstoff in die Bombe, bis eine Spannung von 24 Atmosphären erreicht ist, und braucht dann nur den Stab g noch weiter herabzuschrauben, um mit seinem konischen Ende die Bohrung luftdicht zu verschließen. Die zweite Durchbohrung von b und e ist in h durch einen in b eingeschliffenen Platinkegel i verschließbar, der mit einer Schraubenmutter in die konische Bohrung von b kräftig hineingepreßt werden kann. Dieser Kegel ist durch eine dünne Kautschuklamelle von der Umgebung isoliert, und mithin kann ein durch den Kegel eingeleiteter galvanischer Strom einen am stabförmigen Ende von i angebrachten Eisendraht zum Glühen bringen. Das Eisen verbrennt, und das schmelzende Eisenoxyd fällt auf die in der Schale k befindliche, mit Naphthalin gemischte Substanz und entzündet sie. Die Verbrennung erfolgt sehr schnell, und die Metallmasse der Bombe gibt in 1–3 Minuten ihre Wärme an das Kalorimeterwasser ab. Nach der Ablesung der Erwärmung können die hochgespannten Verbrennungsprodukte durch die Bohrung in k zur Analyse abgeleitet werden. Der von Mahler verbesserte Apparat wird vielfach zur Bestimmung des Heizwertes von Brennstoffen gebraucht. – Ein in der Handhabung sehr einfaches und dabei überaus exakt messendes K. ist das Eiskalorimeter von Bunsen (Fig 4).

Fig. 4. Bunsens Eiskalorimeter.

In einem oben birnförmig verengerten, unten in ein Rohr endenden Glasgefäß a ist ein Gefäß d eingeschmolzen. a enthält ausgekochtes destilliertes Wasser, das durch Einbringen einer Kältemischung in d um dies Gefäß herum in Eis verwandelt wird. Durch Einfließenlassen von warmem Wasser in d wird das Eis b von dem Gefäß d wieder getrennt. Das Gefäß a, an welches das Rohr f angeschmolzen ist, wird in ein weiteres Gefäß c, das mit Eisstücken gefüllt ist, gebracht. Das Rohr f wird durch den Trichter h mit Quecksilber gefüllt, das noch in den untern Teil e des Gefäßes a eintritt und auch das seitlich abzweigende, mit einer Skala versehene Rohr füllt. Der Hahn unter h bleibt geschlossen.

Fig. 5. Rubners Kalorimeter.

Wird nun in d eine chemische Reaktion ausgeführt, bei der sich Wärme entwickelt, so schmilzt ein Teil des das Gefäß d umgebenden Eises, es tritt eine entsprechende Volumenveränderung ein, und mithin dringt mehr Quecksilber in a ein, dessen Volumen an dem Rohr g abgelesen wird. Ein andres von Bunsen angegebenes K. gründet sich auf die Verdampfungswärme. Solange der an einer Wage hängende Körper kälter ist als der umgeleitete Wasserdampf, schlägt sich Wasser darauf nieder. Die Gewichtszunahme gestattet also einen Schluß auf die Größe der spezifischen Wärme. Auch die Verdampfung von Äther etc. wurde zu kalorimetrischen Zwecken benutzt. Pfaundler benutzt zur Ermittelung der spezifischen Wärme ein K., in dem durch elektrischen Strom eine bestimmte Wärmemenge erzeugt wird. Um die Wärmeabgabe lebender Tiere zu bestimmen, benutzt Rubner einen doppelwandigen Zylinder, dessen Innenwand aus Weißblech und dessen äußerer Mantel aus Messingblech besteht (Fig. 5). Die Außenfläche des Apparats ist metallisch blank, die Innenfläche des Hohlraums mit Asphaltlack geschwärzt.[491] Das Tier wird durch die Öffnung d eingebracht, die man dann mit einem doppelten Deckel verschließt. Bei horizontaler Stellung des Apparats kann sich das Tier auf einen die Wärme schlecht leitenden Holzrost lagern. Durch einen der Richtung der Pfeile folgenden Luftstrom wird der Raum ventiliert. Der Mantelraum zwischen b und c schließt die Luft ein, die durch das Tier erwärmt wird und sich ausdehnt, so daß ein Teil derselben durch das Rohr e in eine in Petroleum versenkte, äquilibrierte Glocke f abströmt. Dabei hebt sich die Glocke und setzt einen Zeiger in Bewegung, der vor einer in Bogengrade geteilten Scheibe spielt, so daß man das Maß der Ausdehnung der Luft in dem Mantelraum direkt ablesen kann. Die in den Innenraum ein- und ausströmende Luft wird analysiert, auch muß zur Bestimmung der Wärmeabgabe stets die Differenz des Wassergehalts der zugeleiteten und abgeleiteten Luft bestimmt werden, um die durch die Atmung und die Perspiration bedingte Wärmeabgabe durch Verdampfungswärme kennen zu lernen. Rosenthal leitet die vom Tier ausgeatmete Luft zur Abgabe der aufgenommenen Wärme durch eine im Mantelraum verlaufende Spirale und umgibt den äußern Zylinder noch mit einem dritten, um Wärmeverlust zu vermeiden. – Über kalorimetrische Bestimmung der Strahlungsintensität s. Photometrie.