Tieftemperatur-Wärmekapazitäten und Entropien von Mineralen

Wärmekapazität und Entropie sind zentrale thermodynamische Größen und spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen wie Physik, Chemie, Erd- und Material-wissenschaften.Ein wesentliches Hindernis zum besseren Verständnis der thermodynamischen Eigenschaften von gesteinsbildenden und Industrie- relevanten Mineralen ist der Mangel an Tieftemperatur-Wärmekapazitätsdaten (5 bis 300 K). Dies gilt besonders für Silikat Mischkristall-Systeme, weil Exzess-Wärmekapazitäten in diesem niedrigen Temperaturbereich auftreten können und für Eisen-reiche Festkörper, die - wegen magnetischer Ordnungsphänomene - Anomalien in der Wärmekapazität bei tiefen Temperaturen aufweisen. Auf dem Gebiet der Kalorimetrie gibt es neue technologische Entwicklungen, die es zum ersten mal ermöglichen Tieftemperatur-Wärme-kapazitäten an Milligramm-Proben zu messen. Es ist Ziel dieses beantragten Projektes solch ein Mikrokalorimeter-Labor aufzubauen und Tieftemperatur- Wärmekapazitäten an einer Reihe gut charakterisierter synthetischer Phasen zu messen, die sowohl in der Natur, als auch in industriellen Prozessen relevant sind (gesteinsbildende Minerale: Biotite, Chlorite, Pyroxene; Industrie- relevante Minerale: CSH-Phasen). Dies eröffnet neue wissenschaftliche Perspektiven für eine Vielzahl von Substanzen, die nicht in großen Mengen synthetisch hergestellt werden können und verspricht beträchtlichen wissenschaftlichen Fortschritt auf dem Gebiet der direkten Messung thermodynamischer Größen.

Wärmekapazität und Entropie sind zentrale thermodynamische Größen und spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen wie Physik, Chemie, Erd- und Materialwissenschaften, aber auch in Industrieprozessen. Im Rahmen des Projektes wurde ein Kalorimeter-Labor an der Universität Salzburg aufgebaut, in dem Tieftemperatur-Wärmekapazitäten an Milligramm-Proben gemessen werden können. Dieses Kalorimeter stellt eine kommerziell erhältliche technische Innovation dar und ist im sog. Physical Properties Measurement System der Firma Quantum Design realisiert. Der Schwerpunkt der kalorimetrischen Messungen lag auf gut charakterisierten synthetischen Mischkristall- Systemen, die in der Natur von Bedeutung sind, wie Pyroxene, Olivine, Granate, Biotite und Chlorite. Hier wurden die Exzess-Wärmekapazitäten und Exzess-Entropien quantifiziert, die ein Maß für die Abweichung vom thermodynamisch idealen Mischungsverhalten darstellen. Diese Information ist wichtig um Aktivitäts- Zusammensetzungsbeziehungen in den entsprechenden Mischkristall-Systemen zu bestimmen. Daneben wurden die Tieftemperatur-Wärmekapazitäten von zahlreichen gesteinsbildenden Mineral-Endgliedern erstmals gemessen, wie Fe-Biotit (Annit), Fe-Chlorit (Chamosit), Fe-Serpentin, Fe-Cordierit, Fe- und Mg- Carpholit, aber auch von Ultrahochdruckphasen, die im Erdmantel eine große Rolle spielen, wie "hollandite-type" KAlSi3 O8 , Si-Wadeit, Wadsleyit und -Fe2 SiO4 . Auch von Industrie-relevanten CSH-Phasen, wie Xonotlit, wurde die Tieftemperatur-Wärmekapazität gemessen. Aus diesen kalorimetrischen Daten konnte die Standard-Entropie als zentrale stoffspezifische thermodynamische Größe der entsprechenden Mineral-Endglieder direkt bestimmt werden. Durch die kalorimetrischen Messungen, die im Rahmen des Projektes durchgeführt wurden, wurde ein Beitrag geleistet werden um überhaupt (bzw. besser in Fällen wo Daten bereits existierten, besser) in der Natur relevante Mischkristall-Systeme thermodynamisch beschreiben zu können, entsprechende Phasendiagramme berechnen zu können. Große Relevanz hat dies z.B. für die untersuchten Ultrahochdruckphasen und deren Stabilität im Erdmantel, Kenntnis vom thermischen Verhalten bestimmter Industrie-relevanter CSH-Phasen zu erhalten.