Το μικροθερμιδόμετρο είναι μια ευαίσθητη θερμική συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ενέργειας μεμονωμένων σωματιδίων ή φωτονίων, στοιχειωδών σωματιδίων φωτός. Είναι ένας τύπος θερμιδόμετρου — ένα όργανο που μετρά τη θερμότητα που απελευθερώνεται από φυσικές ή χημικές αντιδράσεις σε ένα δείγμα. Τα μικροθερμιδόμετρα χρησιμοποιούνται στην αστροφυσική για τη μέτρηση της ενέργειας των φωτονίων ακτίνων Χ από το διάστημα. Μια σχετική συσκευή, το ισόθερμο μικροθερμιδόμετρο, χρησιμοποιείται στη βιοχημεία και σε συναφή πεδία για την ανίχνευση μικροσκοπικών ενεργειακών αλλαγών σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, ένας βασικός νόμος της φυσικής, δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί — μπορεί να μετατραπεί μόνο σε άλλες μορφές. Τα μικροθερμιδόμετρα λειτουργούν με βάση αυτή την αρχή. Η ενέργεια από μια φυσική αλληλεπίδραση ή χημική αντίδραση μετατρέπεται σε θερμότητα μέσα στο σύστημα και μετρώντας τη μεταβολή της θερμότητας που προκύπτει, μπορεί να συναχθεί η ενέργεια της αλληλεπίδρασης.
Ο τύπος του μικροθερμιδόμετρου που χρησιμοποιείται στην αστροφυσική αποτελείται από τρία κύρια συστατικά: έναν απορροφητή, μια ψύκτρα και ένα θερμίστορ. Όταν ένα φωτόνιο ακτίνων Χ χτυπά τον απορροφητή, η ενέργεια μεταφέρεται σε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο του υλικού του απορροφητή. Αυτή η ενέργεια προκαλεί το ηλεκτρόνιο να διεγείρεται – πηδά πιο μακριά από τον ατομικό πυρήνα και απελευθερώνεται από την τροχιά. Άλλα ηλεκτρόνια στον απορροφητή μπορεί να διεγερθούν σε μικρότερους βαθμούς από αυτό το χαλαρό ηλεκτρόνιο, ανεβαίνοντας σε τροχιές υψηλότερης ενέργειας γύρω από τα αντίστοιχα άτομα τους.
Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν ενέργεια όταν επιστρέφουν στη βασική τους κατάσταση, ή στην χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση — μια σταθερή τροχιά γύρω από τα άτομα. Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή τη διαδικασία διατηρείται και μετατρέπεται σε θερμότητα, προκαλώντας την αύξηση της θερμοκρασίας στον απορροφητή κατά ένα μικροσκοπικό ποσό. Μια συσκευή θερμόμετρου στον απορροφητή, γνωστή ως θερμίστορ, ανιχνεύει αυτή τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, η θερμότητα ρέει στην ψύκτρα, αναγκάζοντας τον απορροφητή να επιστρέψει στην αρχική του θερμοκρασία. Μετρώντας τη μεταβολή της θερμοκρασίας που προκαλείται από την κρούση της ακτίνας Χ, μπορεί να υπολογιστεί η αρχική ενέργεια της ακτινογραφίας.
Το ισοθερμικό μικροθερμιδόμετρο λειτουργεί σχεδόν με τον ίδιο τρόπο, αν και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των χημικών αλληλεπιδράσεων αντί της ενέργειας των φωτονίων. Αυτή η συσκευή αποτελείται από μια ψύκτρα και ένα κλειστό δοχείο αντίδρασης στο οποίο λαμβάνει χώρα η χημική αντίδραση. Η ψύκτρα εξασφαλίζει ότι το δοχείο αντίδρασης διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία, επιτρέποντας ακριβείς μετρήσεις. Όταν συμβαίνει η χημική αντίδραση, μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας είτε απελευθερώνεται ως θερμότητα είτε απορροφάται, προκαλώντας μια αλλαγή στη θερμοκρασία που καταγράφεται από το μικροθερμιδόμετρο. Τα ισοθερμικά μικροθερμιδόμετρα έχουν εφαρμογές στη φυσική χημεία, τη βιοχημεία και τη φαρμακευτική βιομηχανία επειδή παρέχουν έναν εξαιρετικά ευαίσθητο τρόπο ανάλυσης της ροής θερμότητας σε μια αντίδραση.
Τα μικροθερμιδόμετρα πρέπει να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες, έτσι ώστε να μπορούν να καταγράφονται οι μικρές αλλαγές στη θερμότητα που μετρούν. Για παράδειγμα, οι συσκευές που χρησιμοποιούνται στην αστροφυσική διατηρούνται κοντά στο απόλυτο μηδέν. Σε αυτή τη θερμοκρασία, μπορεί να ανιχνευθεί ακόμη και η μικρή αλλαγή στη θερμική ενέργεια που προκαλείται από την κρούση ενός μόνο φωτονίου. Τα ισοθερμικά μικροθερμιδόμετρα δεν είναι τόσο ακραία, αλλά εξακολουθούν να διατηρούνται σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα θερμιδόμετρα μακροκλίμακας.