O que é um microcalorímetro?
Um microcalorímetro é um dispositivo térmico sensível usado para medir a energia de partículas únicas ou fótons, partículas elementares de luz. É um tipo de calorímetro - um instrumento que mede o calor liberado por reações físicas ou químicas em uma amostra. Microcalorímetros são usados na astrofísica para medir a energia dos fótons de raios X do espaço. Um dispositivo relacionado, o microcalorímetro isotérmico, é usado na bioquímica e em campos relacionados para detectar pequenas alterações de energia a baixas temperaturas.
A lei de conservação de energia, uma lei básica da física, afirma que a energia não pode ser criada ou destruída - só pode ser convertida em outras formas. Microcalorímetros funcionam com base nesse princípio. A energia de uma interação física ou reação química é transformada em calor dentro do sistema e, medindo a mudança no calor resultante, a energia da interação pode ser deduzida.
O tipo de microcalorímetro usado na astrofísica consiste em três componentes principais: um absorvedor, um dissipador de calor e um termistor. Quando um fóton de raio-X atinge o absorvedor, a energia é transferida para um elétron em um átomo do material absorvente. Essa energia faz com que o elétron fique excitado - pula mais longe do núcleo atômico e se liberta da órbita. Outros elétrons no absorvedor podem ficar excitados em menor grau por esse elétron solto, elevando-se a órbitas de energia mais altas em torno de seus respectivos átomos.
Os elétrons excitados liberam energia quando retornam ao seu estado fundamental, ou estado de energia mais baixo - uma órbita estável ao redor dos átomos. A energia liberada nesse processo é conservada e convertida em calor, fazendo com que a temperatura no absorvedor aumente uma pequena quantidade. Um dispositivo termômetro no absorvedor conhecido como termistor detecta essa mudança de temperatura. O calor flui para o dissipador de calor, fazendo com que o absorvedor retorne à sua temperatura original. Medindo a mudança de temperatura causada pelo impacto do raio X, a energia original do raio X pode ser calculada.
O microcalorímetro isotérmico funciona da mesma maneira, embora seja usado para medir interações químicas em vez de energia de fóton. Este dispositivo consiste em um dissipador de calor e um vaso de reação fechado no qual a reação química ocorre. O dissipador de calor garante que o vaso de reação seja mantido a uma temperatura constante, permitindo medições exatas. Quando a reação química ocorre, uma certa quantidade de energia é liberada como calor ou absorvida, causando uma mudança de temperatura registrada pelo microcalorímetro. Os microcalorímetros isotérmicos têm aplicações em físico-química, bioquímica e indústria farmacêutica, porque fornecem uma maneira altamente sensível de analisar o fluxo de calor em uma reação.
Os microcalorímetros devem operar a baixas temperaturas, para que as pequenas alterações no calor que elas medem possam ser registradas. Por exemplo, os dispositivos usados em astrofísica são mantidos próximos ao zero absoluto. Nesta temperatura, até a pequena mudança na energia térmica causada pelo impacto de um único fóton pode ser detectada. Os microcalorímetros isotérmicos não são tão extremos, mas ainda são mantidos em temperaturas muito mais baixas do que os calorímetros em escala macro.