Physiklaborant Kalorimetrie

Ein Beispiel für eine berechnete Wärmemenge: Angenommen, Du hast 50 g Wasser und erhöhst seine Temperatur um 10 °C. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt ungefähr 4,18 J/(g·°C). Die Formel lautet dann: \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] \[ Q = 50 \ g \cdot 4,18 \ \frac{J}{g \cdot °C} \cdot 10 \ °C = 2090 \ J \]Dies bedeutet, dass 2090 Joule Energie benötigt wurden, um das Wasser zu erwärmen.

Ein typisches Verfahren in der Kalorimetrie ist das Messen der Temperaturänderung in einer wässrigen Lösung bei einer Reaktion. Stell Dir vor, Du hast 100 ml einer Säurelösung und mischst sie mit 100 ml einer Base. Die Temperatur der Mischung erhöht sich um 5 °C. Du kannst die freigesetzte Wärmeenergie mithilfe der Formel berechnen: \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] In diesem Fall: \[ Q = 200 \ g \cdot 4,18 \ \frac{J}{g \cdot °C} \cdot 5 \ °C = 4180 \ J \]Dies bedeutet, dass 4180 Joule Energie bei der Reaktion freigesetzt wurden.

Ein typisches Verfahren in der Kalorimetrie ist das Messen der Temperaturänderung in einer wässrigen Lösung bei einer Reaktion. Stell Dir vor, Du hast 100 ml einer Säurelösung und mischst sie mit 100 ml einer Base. Die Temperatur der Mischung erhöht sich um 5 °C. Du kannst die freigesetzte Wärmeenergie mithilfe der Formel berechnen: \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] In diesem Fall: \[ Q = 200 \ g \cdot 4,18 \ \frac{J}{g \cdot °C} \cdot 5 \ °C = 4180 \ J \]Dies bedeutet, dass 4180 Joule Energie bei der Reaktion freigesetzt wurden.

Ein Beispiel für die Anwendung der Kalorimetrie in der Industrie ist das Bombenkalorimeter, das verwendet wird, um die Verbrennungswärme von Brennstoffen zu messen. Diese Messungen sind entscheidend für die Bestimmung des Energiegehalts von Kohle, Öl oder Biokraftstoffen.Angenommen, Du untersuchst eine Probe von 1 g Kohle, die in einem Bombenkalorimeter verbrennt und eine Temperaturerhöhung von 3 °C in 2 kg Wasser verursacht. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,18 J/(g·°C). Die freigesetzte Wärmeenergie wird dann wie folgt berechnet: \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] In diesem Fall: \[ Q = 2000 \ g \cdot 4,18 \ \frac{J}{g \cdot °C} \cdot 3 \ °C = 25080 \ J \] Dies bedeutet, dass die Verbrennung von 1 g Kohle 25080 Joule Energie freigesetzt hat.

Ein Beispiel für ITC: Eine Protein-Ligand-Bindungsstudie. Angenommen, Du hast ein Protein und einen Liganden in einer Lösung. Eine kleine Menge des Liganden wird schrittweise zu der Proteinslösung hinzugefügt, und die freigesetzte oder aufgenommene Wärme wird gemessen. Die entstehende Temperaturänderung gibt Auskunft über die Bindungskinetik und Thermodynamik.Dabei kann die freigesetzte Wärmeenergie mithilfe der folgenden Formel berechnet werden:\[ Q = \frac{-\text{d}H_m}{\text{d}(V_s)} \] Hierbei steht \( Q \) für die freigesetzte Wärme, \( \text{d}H_m \) für die molare Bindungsenthalpie und \( \text{d}(V_s) \) für das injizierte Volumen des Liganden.

Ein typisches Beispiel für adiabatische Kalorimetrie ist die Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines Festkörpers. Angenommen, Du hast ein Kalorimeter mit einem isolierten Behälter und misst die Temperaturänderung des Festkörpers nach einer Energiezufuhr von 10 Joule.Die spezifische Wärmekapazität \( c \) kann durch die Formel berechnet werden:\[ c = \frac{Q}{m \times \triangle T} \]Hierbei ist \( Q \) die zugeführte Wärmemenge, \( m \) die Masse des Festkörpers, und \( \triangle T \) die beobachtete Temperaturänderung.

Nimm 100 ml Wasser und erhitze es mit einem Tauchsieder. Dokumentiere die Anfangstemperatur und die Temperatur nach einer bestimmten Zeit. Wenn Du beispielsweise feststellst, dass 100 ml Wasser um 10°C erhitzt werden und die verbrauchte Energie 418 Joule beträgt, benutze die Formel: \[ c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T} \] In diesem Fall ist \(Q = 418 \ J\), \(m = 100 \ g\) und \(\Delta T = 10 \ °C\). Setzt man diese Werte in die Formel ein, erhält man: \[ c = \frac{418}{100 \cdot 10} = 4,18 \frac{J}{g \cdot °C} \] Das bedeutet, dass die spezifische Wärmekapazität von Wasser 4,18 J/(g·°C) beträgt.

Angenommen, Du führst eine Neutralisationsreaktion zwischen einer Säure und einer Base durch. Die erzeugte Wärmemenge während der Reaktion kann gemessen werden, um die Neutralisationsenthalpie zu berechnen. Wenn 100 ml einer \textit{1 M} HCl die gleiche Menge NaOH neutralisieren und die Temperatur um 6°C steigt, kann die Wärmemenge wie folgt berechnet werden: \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T\] Hierbei ist \(m = 200 \ g\) (100 ml HCl + 100 ml NaOH), \(c = 4,18 \frac{J}{g \cdot °C}\), und \(\Delta T = 6 \ °C\). Die während der Reaktion freigesetzte Wärme wäre dann: \[ Q = 200 \cdot 4,18 \cdot 6 = 5016 \ J \]