Versuch 7 Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Protokollant: Physikalisches Anfängerpraktikum Teil 2 Elektrizitätslehre

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1 Physikalisches Anfängerpraktikum Teil 2 Elektrizitätslehre Physik Bachelor 2. Semester Versuch 7 Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie Protokoll Harald Schmidt Sven Köppel Versuchsdurchführung: Donnerstag, 30. April 2009, 14:00-16:00 Abgabe des Protokolls: Donnerstag, 07. Mai 2009 Assistent: Wie heißt er? Versuchsvorbereitung: Harald.. Protokollant: Sven Köppel Verantwortlicher: Sven Köppel Tagesprotokoll: Umfang des Protkolls: 2 Seiten, anliegend 5 Seiten

2 Aufgabenstellung Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers Mittels Kalorimeter, welches aus Gefäß, Thermometer und Heizspirale, die als Ohm'scher Widerstand fungiert, soll die spezifische Wärmekapazität einer bekannten Wassermenge bestimmt werden. Zur Verfügung stehen ferner Spannungs- und Strommessgeräte. Mittels Energieerhaltung bei Umwandlung von elektrischer in Wärmeenergie werden dann die gewünschten Größen berechnet. Physikalischer Hintergrund Beim Durchfließen des Stromes I durch einen Widerstand R wird elektrische Energie komplett in Joule'sche Wärme umgewandelt, die an die Umgebung abgegeben wird. Es wird also Arbeit verrichtet, in dem elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Der Verlust an elektrischer Energie pro Zeiteinheit entspricht der im Leiterabschnitt umgesetzten Leistung P=I 2 R. Beim Erwärmen eines Körpers um die Temperaturdifferenz T ist die benötigte Wärmemenge Q=C T, wobei C der Wärmekapazität des betreffenden Körpers entspricht. Die Wärmekapazität bezeichnet das Vermögen eines Körpers, thermische Energie zu speichern, ist jedoch für die praktische Anwendung von wenig Nutzen, im Gegensat zur spezifischen Wärmekapazität c= C, die die Masse m des Körpers berücksichtigt und sich daher um eine m Materialeigenschaft des Körpers handelt. Die Energieerhaltung sagt nun aus, dass Energie in einem abgeschlossenen System nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur umgewandelt wird. Daher ist P=Q U I t=c T, das Wasser nimmt also die komplette Arbeit auf, die am elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt wird. Das Kalorimeter wird hierbei als thermisch ideal isoliert vorrausgesetzt. Die Gesamtwärmekapazität ist nicht etwa nur die des Wassers, dessen Menge bekannt ist, sie setzt sich vielmehr additiv aus der Wärmekapazität des Wassers und der des Kalorimeters zusammen: C=C C H 2 O Kal. Beide müssen experimentell bestimmt werden. Das komplexe System des Kalorimeters wird vereinfacht als eine Einheit betrachtet, dessen Wärmekapazität indirekt durch eine thermisch äquivalente Wassermasse gemessen wird, die man der tatsächlichen Wassermasse hinzuaddiert. Auf diese Weise erhält man den Wasserwert W = C Kal c H 2 O des Kalorimeters. Kombinieren aller bislang genannten Zusammenhänge führt zur Bestimmungsgleichung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers, die dann einfach durch Einsetzen Messgrößen bestimmt werden kann, und zwar zu c = U I t H 2 O m W T T a Beschreibung der Messmethode (Durchführung) Der Versuch gliedert sich in zwei Teile: Zunächst die wiederholte Bestimung des Wasserwertes des Kalorimeters und anschließend die eigentliche Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers.

3 1. Bestimmung des Wasserwertes des Kalorimeters 1. Das Kalorimeter mit m=100ml kaltem Leitungswasser füllen, Messen der kalten Wassertemperatur T 1 im Kalorimeter direkt nach Einfüllen. 2. Vollständige Entleerung des Kalorimeters. 3. Das Kalorimeter erneut mit der Masse m an Wasser füllen, allerdings heißes Wasser. Messung der Warmwassertemperatur T 2 im Kalorimeter direkt nach Einfüllen. 4. Bestimmung der Mischtemperatur T 3 von heißem Wasser und Kalorimeter durch Abwarten, bis sich die Thermometertemperatur nur noch sehr langsam ändert. 5. Wiederholung der Schritte 1 bis 4 insgesamt fünf mal. 2. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser 1. Bestimmung der Raumtemperatur T R 2. Das Kalorimeter erneut mit der Menge m kaltem Wasser füllen. 3. Messung der Temperatur T 1 vor Einschalten des Stromes 4. Einschalten des Stromes, das Wasser wird erhitzt. 5. Parallel: 1. Die Zeit t messen, bis Wasser Endtemperatur T 2 =T R T R T 1 erreicht. Falls die Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur zu klein ist, erhitzen bis T 2 =30 C 2. Strom und Spannung messen und während dem gesamten Versuch konstant halten 6. Nach Abschluss der Messung sind Parameter Strom und Spannung durch den variablen Widerstand R zu verändern. 7. Wiederholung der Schritte 1 bis 6 dreimal. Schaubild/Schaltplan Tja, hier kann man dann mal was nettes zeichnen. Nicht kopieren... Messergebnisse Bestimmung des Wasserwertes des Kalorimeters: Wassermenge m = 100ml Messung T 1 T 2 T 3 W =m T 2 T 3 T 3 T 2 1. Messung 16,8 C 31,8 C 31,0 C 5,634 g 2. Messung 17,0 C 34,9 C 34,1 C 4,678 g 3. Messung 16,0 C 33,9 C 33,2 C 4,698 g 4. Messung 16,2 C 36,0 C 35,3 C 3,665 g 5. Messung 15,3 C 34,0 C 32,9 C 6,471 g Mittelwert 16,3 C 34,1 C 33,3 C 5,03 g Literaturwert ( ) g

4 Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers Raumtemperatur: konstante T R =23,5 C Messung 1 Messung 2 Messung 3 Mittelwert U 23,5 V 23,5 V 30,0 V 38,5 V I 1,175 A 1,175 A 1,5 A 1,29 A T 1 16,8 C 16,3 C 17,0 C 16,7 C T 2 30,2 C 30,7 C 30,0 C 30,3 C t 3':30'' min 4':00'' min 2':14'' min 3':14'' min c H 2 O 4,26 J/gK 4,38 J/gK 4,42 J/gK 4,35 J/gK Literaturwert 4,13 J/gK Bestimmung der Halbwertszeit des Kalorimeters. Messung der Temperatur des sich abkühlenden gefüllten Kalorimeters über 10 Minuten, alle 30 Sekunden ein Messwert aufgenommen. Dargestellt ist die Temperatur/ C gegen die Zeit/sec 30 29,9 29,8 29,7 29,6 29,5 29,4 29,3 29,2 29, Innerhalb von 10 Minuten ist die Temperatur T(t) von T 0 sec =30,1 C auf gerade mal T 600 sec =29 C gesunken. Dank konstanter Raumtemperatur von T R =23,5 C errechnet sich die Halbwertszeit t H mit einem Exponentialansatz T t =A e t T R =23,5 C 6,6 C e 3, t t H 2281sec 38min und T t H = 1 2 T 0 T R T R =26,8 C zu

5 Fehlerrechnung/-diskussion Die Fehlergenauigkeiten der verwendeten Messapperaturen waren:

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