Auf der grundlegendsten Ebene ist die Kalorimetrie die Wissenschaft der Wärmeaufnahme und -abgabe. Es misst die Energieänderungen in einer bestimmten Substanz und gibt Beobachtern und Forschern eine Vorstellung davon, wie viel Energie erforderlich ist, um diese Substanz abzubauen oder zu verändern. Ein chemischer Prozess kann Energie entweder absorbieren oder abgeben, und diese Energie liegt oft in Form von Wärme vor. Die Ernährungsanalyse ist eine der häufigsten Verwendungen für diese Informationen. Nahrung wird während der Verdauung in Energie zerlegt und dies ist mit messbaren Energiekosten verbunden, aber auch Metalle und andere Substanzen können zerfallen, normalerweise wenn sie Umgebungswärme ausgesetzt werden. Das Wissen um diese Umstände ist für Menschen im Ingenieurwesen und verwandten Berufen wichtig. Berechnungen werden normalerweise mit einem als Kalorimeter bekannten Gerät durchgeführt, und je nach Art und erforderlicher Spezifität der Prüfung können diese entweder sehr einfach oder ziemlich komplex sein. Der Schlüssel ist normalerweise die Fähigkeit, Temperaturänderungen im Laufe der Zeit konsistent zu messen.
Basiskonzept
Kalorimetrie als Wissenschaft ist etwas kompliziert, und das Verständnis ihrer tieferen Funktionsweise erfordert normalerweise sowohl ein solides Verständnis der grundlegenden Physik als auch der Thermodynamik. Grundsätzlich können die Berechnungen jedoch als Mittel zur Bestimmung der inhärenten Energie eines Stoffes anhand der von ihm abgegebenen oder aufgenommenen Wärme angesehen werden. Temperaturmessungen stehen meist im Mittelpunkt. Die Beobachtung der Temperaturverschiebungen in einer Substanz im Laufe der Zeit kann einen messbaren Einblick geben, wie viel Energie sie entweder aufnimmt oder abgibt.
Warum ist es wichtig?
Die meisten Verbindungen, von Hartmetallen bis hin zu Nahrungsmitteln, enthalten rohe Energie, aber sie tut normalerweise nichts, es sei denn, die Substanz erfährt irgendeine Art von Veränderung. Wenn Dinge zum Beispiel erhitzt oder anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt werden, wird latente Energie oft in etwas Messbares umgewandelt. Das Verständnis des Abbaus von Stoffen und der Bedingungen, unter denen dies geschieht, ist für eine Reihe verschiedener Anwendungen sehr wichtig.
So funktioniert er
Wissenschaftler verwenden normalerweise Werkzeuge, die als Kalorimeter bekannt sind, um die Wärmemenge zu messen, die eine Reaktion aufnimmt oder freisetzt. Es gibt ein paar verschiedene Arten. Viele naturwissenschaftliche Gymnasiasten kennen eine sehr grundlegende Form der Kalorimetrie, die in einer Schaumschale durchgeführt wird; Der Becher fungiert als Isolator und die Schüler verwenden ihn, um Temperaturverschiebungen des Wassers im Laufe der Zeit zu messen. Die Ergebnisse dieser Art von Experimenten können den Schülern ein grundlegendes Verständnis von Energiemessungen vermitteln, sind jedoch normalerweise nicht präzise genug für ernsthaftere Bemühungen.
Ernstere Berechnungen erfordern in der Regel intensivere Werkzeuge. Ein als Bombenkalorimeter bekanntes Gerät ist ein sehr häufiges Beispiel. Dieses Gerät besteht normalerweise aus einem Stahlgehäuse – einer „Bombe“ – deren Volumen sich nicht ändert. Die Reaktanten werden in die Bombe gelegt und die Bombe in einen anderen mit Wasser gefüllten Behälter. Dann wird die Temperatur des Wassers notiert und die Reaktion, oft in Form einer Explosion, ablaufen gelassen.
Durchführung des Experiments
Vor der Reaktion werden die Stoffe in der Bombe üblicherweise durch Zugabe von Sauerstoff unter extremen Druck gesetzt. Wissenschaftler müssen auch die Wärmekapazität des Geräts berücksichtigen, bevor sie bestimmen können, wie viel Wärme aufgenommen oder abgegeben wird. Die Wärmekapazität ist ein Maß dafür, wie viel Wärme benötigt wird, um das Gerät um ein Grad Celsius anzuheben. Nach der Reaktion wird die Temperatur des Wassers gemessen. Nachdem alle diese Werte bekannt sind, kann ein Wissenschaftler die aufgenommene oder verlorene Wärmemenge berechnen.
Rolle bei Ernährungsberechnungen
Kalorienberechnungen werden in vielen Anwendungen verwendet, vor allem aber bei Lebensmitteln. Lebensmittel enthalten alle einen bestimmten Kaloriengehalt, der im Grunde eine Beschreibung dafür ist, wie viel Energie sie liefern – was wiederum eine Aussage darüber macht, wie viel Arbeit eine Person leisten muss, um diese Aufnahme zu „verbrennen“ oder „abzuarbeiten“. Die meisten Hersteller von verpackten Lebensmitteln weltweit berechnen den Kaloriengehalt der von ihnen hergestellten Waren und drucken dieses Maß auf die Verpackung.
Im Großen und Ganzen ist eine Kalorie ein Maß für die Wärme und gibt an, wie viel Wärme benötigt wird, um die Temperatur von einem Gramm reinem Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen. Die auf Lebensmittelverpackungen gebräuchliche Groß-C-Kalorie ist eigentlich eine Kilokalorie, d. h. 1,000 Kalorien. Einige Länder verwenden keine Kalorien als Maß für die Nahrungsenergie, sondern beschreiben die Nahrungsenergie in Joule. Jede Kalorie enthält ungefähr 4.2 Joule.
Wenn Kalorimetrie verwendet wird, um den Kaloriengehalt von Lebensmitteln zu bestimmen, werden die dehydrierten Lebensmittel in ein Bombenkalorimeter gegeben. Das Lebensmittel wird dann verbrannt, um herauszufinden, wie viel Energie das Lebensmittel hat. Wenn eine Person also ein Lebensmittel mit 100 Kilokalorien (ca. 4,200 Joule) isst, benötigt der Körper 100 Kilokalorien (ca. 4,200 Joule), um es zu verbrennen.