Kalorimetrie

Grundidee und Bedeutung

Kalorimetrie ist die Messung von Wärmemengen, die mit biologischen, chemischen oder physikalischen Vorgängen verbunden sind. Solche Vorgänge können exotherm sein, also Wärme freisetzen, oder endotherm, also Wärme aufnehmen. Gemessen wird mit einem Kalorimeter.

Grundsätzlich unterscheidet man direkte und indirekte Kalorimetrie. Die direkte Kalorimetrie erfasst die Wärme selbst, während die indirekte Kalorimetrie sie aus einer anderen Messgröße berechnet. Begründet wurde die Wissenschaft der Kalorimetrie 1756 von Joseph Black, Professor für Physik an der Universität von Glasgow und Schüler von William Cullen.

Direkte Messung der Wärme

Bei der direkten Kalorimetrie wird die entstandene oder aufgenommene Wärmemenge unmittelbar mit einem Kalorimeter bestimmt. Das Verfahren eignet sich auch dazu, den Energieumsatz eines Organismus zu messen. Der Energieumsatz beschreibt hier die Energie, die ein Lebewesen bei seinen Lebensvorgängen umsetzt und unter anderem als Wärme abgibt.

Tierkalorimeter von Lavoisier

Das erste Tierkalorimeter dieser Art wurde von Antoine Laurent de Lavoisier gebaut. Es war für ein Meerschweinchen ausgelegt. Das Gefäß mit dem Tier bildete den Kern einer Kugel und war von zwei doppelwandigen, mit Eisstücken gefüllten Schalen umgeben.

Die äußere Schale isolierte das Gerät und machte sein Inneres zu einem geschlossenen System. Wärme, die von außen eindrang, wurde zum Schmelzen des Eises in dieser Schale benötigt. Solange dort noch Eis vorhanden war, blieb die Trennwand zwischen äußerer und innerer Schale konstant bei 0 °C.

Das Eis in der inneren Schale diente zur Messung der Wärmebildung des Tieres. Die vom Tier abgegebene Wärme ließ dieses Eis schmelzen; das entstandene Schmelzwasser floss bei 0 °C ab. Als Maß für die abgegebene Wärme diente die ausgeflossene Schmelzwassermenge multipliziert mit der Schmelzenthalpie. Die Schmelzenthalpie ist die Wärmemenge, die zum Schmelzen einer bestimmten Stoffmenge benötigt wird. Das Verfahren setzte voraus, dass die Körperwärme des Tieres konstant blieb.

Indirekte Bestimmung

Bei der indirekten Kalorimetrie wird die frei werdende Wärme nicht unmittelbar gemessen. Stattdessen bestimmt man den Sauerstoffverbrauch. Aus der verbrauchten Sauerstoffmenge einer Reaktion oder eines Organismus und einem passenden Äquivalent lässt sich die freigesetzte Wärme zurückrechnen.

Bei Stoffwechselreaktionen wird beispielsweise das oxykalorische Äquivalent verwendet. Es gibt den Zusammenhang zwischen Sauerstoffverbrauch und freigesetzter Wärmemenge an. Die indirekte Methode eignet sich besonders für große Lebewesen wie den Menschen. Im Labor kann die Messung beispielsweise mit einer Canopy-Haube nach der Verdünnungsmethode erfolgen.

Brennwert von Gasen

Die Gaskalorimetrie bestimmt den Brennwert eines Gases durch die Verbrennung einer Gasprobe. Der Brennwert bezeichnet dabei die bei der Verbrennung nutzbare Wärmemenge.

Gaskalorimeter werden nach dem eingesetzten Verbrennungsverfahren in drei Klassen eingeteilt:

• Verbrennung einer Gasprobe in einer kalorimetrischen Bombe, also einem geschlossenen Messgefäß,
• Verbrennung des Gases in der offenen Flamme eines Gasbrenners,
• flammenlose Verbrennung an einem Katalysator.