Ermittlung physikalischer Brennwerte in der kalorimetrischen Bombe
Die Kalorimetrie ist ein Verfahren zur Bestimmung von Wärmemengen und Energieumsatz. Damit kann man z. B. den Joule-Gehalt (früher Kalorie: 1 cal = 4,1868 J) von Nahrungsmitteln, die freigesetzte Enthalpie von chemischen Reaktionen oder die frei werdend Energie bei Stoffwechselprozessen von Organismen messen.Die Durchführung erfolgt in einem Kalorimeter oder einer kalorimetrischen Bombe, wobei ein Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Isolierung weitgehend verhindert wird.
Eines der ersten Kalorimeter war das Eiskalorimeter von LAVOISIER und LAPLACE von 1780.
Messung des Energieverbrauchs im Eiskaloriemeter
In der Kalorimeterbombe befindet sich eine Sauerstoffatmosphäre. Die Bombe steht in einem Kalorimetergefäß, das mit Kalorimeterwasser gefüllt ist.
Für die Ermittlung wird 1 g der zu untersuchenden Substanz elektrisch gezündet und verbrannt. Die freigesetzte Wärme wird durch hochempfindliche Thermoelemente gemessen.
Die Tabelle enthält die so ermittelten physikalischen Brennwerte verschiedener Nährstoffe.
Physikalische Brennwerte einiger Nährstoffe und von Harnstoff
| Substanz | physikalischer Brennwert in kJ/g |
| Glucose | 15,69 |
| Maltose | 16,53 |
| Dextrin | 17,24 |
| Stärke | 17,61 |
| tierisches Fett | 39,58 |
| pflanzliches Fett | 39,83 |
| Muskeleiweiß | 24,02 |
| Albumin | 24,77 |
| Harnstoff | 10,59 |
Die Brennwerte können auch berechnet werden, wenn man die bei der Reaktion freigesetzte Energie kennt.
Beispiel (Glucose):
1 mol Glucose wiegt 180 g
Brennwert = 2836 kJ : 180 g = 15,7 kJ/g
ist die Energiemenge, die bei dieser Reaktion frei wird (freie Enthalpie).
Ermittlung des Energieumsatzes im Eiskalorimeter
Das 1780 von LAVOISIER (1743-1794) und LAPLACE (1749-1827)entwickelte Eiskalorimeter misst den Energieumsatz anhand der in einer bestimmten Zeiteinheit abgegebenen Wärme.
Zur Messung sitzt das Tier in einem Gefäß, das von Luft durchströmt wird. So erhält es ständig Luft zum Atmen. Die kohlenstoffdioxidreiche Luft wird abgeleitet. Das Gefäß besitzt gut wärmeleitende Wände, die mit einer Eisschicht umgeben sind. Nach außen ist das Gefäß durch eine zweite Eisschicht isoliert.
Die vom Tier abgegebene Wärme führt zum Schmelzen des inneren Eises. Das Schmelzwasser leitet man ab und bestimmt sein Volumen oder die Masse. Die abgegebene Wärmemenge ist der entstandenen Wassermenge proportional. LAVOISIER schreibt, dass ein Meerschweinchen im Experiment in 10 Stunden 13 Unzen (etwa 370 g) Eis geschmolzen habe. Jedem Gramm Schmelzwasser entsprechen 0,336 kJ der vom Tier abgegebenen Wärme.
In 10 Stunden gibt das Tier also 124,34 kJ Wärme ab, an einem Tag sind es 298,37 kJ.
Kritisch muss vermerkt werden: Das Experiment berücksichtigt den erhöhten Stoffwechsel des Tieres wegen der niedrigeren Außentemperatur und der ungewohnten Umgebung nicht.
Daher sind die heutigen Kalorimeter anders aufgebaut. Es wird nicht mehr die geschmolzene Wassermenge gemessen, sondern direkt die Temperaturveränderung über hochsensible Thermoelemente. Das bedeutet, dass der Stoffwechsel des zu untersuchenden Organismus bei seiner gewohnten Umgebungstemperatur gemessen werden kann.
