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Adiabatisches Kalorimeter zur kryoskopischen Reinheitsbestimmung von Metallen und Legierungen

31.12.2008

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Vorhabens wird in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau und der AG Angewandte Thermometrie der PTB der Einfluß von Verunreinigungen auf Phasengleichgewichtstemperaturen von Fixpunktmaterialien wie z. B. Gallium und Indium untersucht. Die Reinheitsbestimmung derartiger Materialien wird in der AG Kalorische Größen (3.31) kryoskopisch unter Verwendung des adiabatischen Kalorimeters vorgenommen. Ziel ist es, Verunreinigungen in den metallischen Systemen im ppm-Bereich quantitativ zu erfassen. Erste Messungen an den Systemen Gallium und Indium dienten der Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Gerätes zur Wärmemessung und ergaben folgende Ergebnisse hinsichtlich der Schmelzenthalpien im Vergleich zu anerkannten Literaturwerten (Tab. 1 und Bild 1):Ein Prototyp eines adiabatischen Kalorimeters zur Bestimmung absoluter thermodynamischer Stoffdaten (Schmelztemperaturen, Schmelzenthalpien und Wärmekapazitäten) von Festkörpern und Flüssigkeiten wurde entwickelt und ist an den Systemen Indium und Gallium erfolgreich getestet worden. Derzeitiges Einsatzgebiet ist die kryoskopische Reinheitsanalyse, die insbesondere zur Charakterisierung von Temperaturfixpunktmaterialien von Bedeutung ist.

Die Kenntnis absoluter thermodynamischer Stoffeigenschaften wie Schmelztemperaturen, Schmelzenthalpien und Wärmekapazitäten ist nicht nur hinsichtlich ihrer Bedeutung in den Grundlagenwissenschaften, sondern auch für angewandte Bereiche z. B. zur Kalibrierung von Thermoanalysegeräten (z. B. differential scanning calorimeter) in Wissenschaft, Wirtschaft und Produktkontrolle notwendig.

Zu diesem Zweck wurde in der PTB ein Prototyp eines adiabatischen Kalorimeters in Anlehnung an das am früheren National Bureau of Standards betriebenen adiabatischen Kalorimeters [1] entwickelt. Dieses neue Gerät ist eines von weltweit wenigen überhaupt derzeit betriebenen, sein Temperaturbereich beträgt zur Zeit Raumtemperatur bis 200°C.

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Vorhabens wird in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau und der AG Angewandte Thermometrie der PTB der Einfluß von Verunreinigungen auf Phasengleichgewichtstemperaturen von Fixpunktmaterialien wie z. B. Gallium und Indium untersucht. Die Reinheitsbestimmung derartiger Materialien wird in der AG Kalorische Größen (3.31) kryoskopisch unter Verwendung des adiabatischen Kalorimeters vorgenommen. Ziel ist es, Verunreinigungen in den metallischen Systemen im ppm-Bereich quantitativ zu erfassen. Erste Messungen an den Systemen Gallium und Indium dienten der Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Gerätes zur Wärmemessung und ergaben folgende Ergebnisse hinsichtlich der Schmelzenthalpien im Vergleich zu anerkannten Literaturwerten (Tab. 1 und Bild 1):

Tabelle 1: Vergleich von Schmelzenthalpien (DfusH) von Gallium und Indium (Mittelwerte). PTB-ZRM: von der PTB zertifiziertes Referenzmaterial; PTB-2007 steht für die mit dem adiabatischen Kalorimeter der PTB gemessenen Daten; U: erweiterte Meßunsicherheit (k = 2).


*Mittelwerte aller relevanten Literaturwerte; Unsicherheit wird mit Standardabweichung gleichgesetzt
**Unsicherheit vorläufig abgeschätzt

Bild 1: Vergleich der Schmelzenthalpien (Mittelwerte) von Gallium und Indium entsprechend Tabelle 1 (Balken: U/(J/g)).

Die bisher erhaltenen Ergebnisse bestätigen somit eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit des neuen Kalorimeters und gleichzeitig die Richtigkeit der in Literatur veröffentlichten Meßwerte.

[1] E. D. West, D. C. Ginnings, An adiabatic calorimeter for the range 30°C to 500°C, J. Res. Nat. Bur. Stand. 60 (1958) 309.

[2] D. G. Archer, The enthalpy of fusion of Gallium, J. Chem. Eng. Data 47 (2002) 304.

[3] G. Della Gatta, M. J. Richardson, S. M. Sarge, S. Stølen, Standards, calibration, and Guidelines in Microcalorimetry, Part 2. Calibration Standards for Differential Scanning calorimetry (IUPAC Technical Report), Pure Appl. Chem., 78 (2006) 1455.

[4] D. G. Archer, S. Rudtsch, Enthalpy of fusion of Indium: A certified Reference Material for Differential Scanning Calorimetry, J. Chem. Eng. Data 48 (2003) 1157.