Mikrokalorimetar je osjetljivi toplinski uređaj koji se koristi za mjerenje energije pojedinačnih čestica ili fotona, elementarnih čestica svjetlosti. To je vrsta kalorimetra — instrumenta koji mjeri toplinu oslobođenu fizikalnim ili kemijskim reakcijama u uzorku. Mikrokalorimetri se koriste u astrofizici za mjerenje energije rendgenskih fotona iz svemira. Srodni uređaj, izotermni mikrokalorimetar, koristi se u biokemiji i srodnim poljima za otkrivanje malih energetskih promjena pri niskim temperaturama.
Zakon održanja energije, osnovni zakon fizike, kaže da se energija ne može stvoriti ili uništiti – može se samo pretvoriti u druge oblike. Na tom principu rade mikrokalorimetri. Energija iz fizičke interakcije ili kemijske reakcije pretvara se u toplinu unutar sustava, a mjerenjem promjene topline koja rezultira, može se zaključiti energija interakcije.
Tip mikrokalorimetra koji se koristi u astrofizici sastoji se od tri glavne komponente: apsorbera, hladnjaka i termistora. Kada foton X zraka udari u apsorber, energija se prenosi na elektron u atomu materijala apsorbera. Ova energija uzrokuje uzbuđenje elektrona – on skoči dalje od atomske jezgre i oslobađa se orbite. Ostali elektroni u apsorberu mogu postati pobuđeni u manjim stupnjevima ovim labavim elektronom, dižući se na više energetske orbite oko svojih atoma.
Pobuđeni elektroni oslobađaju energiju kada se vrate u svoje osnovno stanje, ili najniže energetsko stanje – stabilnu orbitu oko atoma. Energija oslobođena u ovom procesu se čuva i pretvara u toplinu, uzrokujući da temperatura u apsorberu raste za malenu količinu. Termometarski uređaj u apsorberu poznat kao termistor detektira ovu promjenu temperature. Toplina tada teče u hladnjak, uzrokujući da se apsorber vrati na prvobitnu temperaturu. Mjerenjem promjene temperature uzrokovane udarom rendgenskog zraka može se izračunati izvorna energija rendgenskog zraka.
Izotermni mikrokalorimetar radi na gotovo isti način, iako se koristi za mjerenje kemijskih interakcija, a ne energije fotona. Ovaj uređaj se sastoji od hladnjaka i zatvorene reakcijske posude u kojoj se odvija kemijska reakcija. Hladnjak osigurava da se reakcijska posuda održava na konstantnoj temperaturi, što omogućuje točna mjerenja. Kada dođe do kemijske reakcije, određena količina energije se ili oslobađa kao toplina ili apsorbira, uzrokujući promjenu temperature koju bilježi mikrokalorimetar. Izotermalni mikrokalorimetri imaju primjenu u fizikalnoj kemiji, biokemiji i farmaceutskoj industriji jer pružaju vrlo osjetljiv način analize toka topline u reakciji.
Mikrokalorimetri moraju raditi na niskim temperaturama kako bi se mogle registrirati male promjene topline koje mjere. Na primjer, uređaji koji se koriste u astrofizici održavaju se na blizu apsolutne nule. Na ovoj temperaturi može se detektirati čak i mala promjena toplinske energije uzrokovana udarom jednog fotona. Izotermni mikrokalorimetri nisu tako ekstremni, ali se još uvijek održavaju na mnogo nižim temperaturama od kalorimetara na makro skali.