Bei diesem Versuch handelt es sich um einen mit dem Physiologiepraktikum "verzahnten" Versuch.

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1 Muskel: Arbeit, Leistung und Wärme Bei diesem Versuch handelt es sich um einen mit dem Physiologiepraktikum "verzahnten" Versuch. Überblick In ersten Teil dieser Versuche setzen Sie sich mit der Mechanik der Muskulatur auseinander. Im Fokus steht dabei die mechanische Leistung, das Zusammenspiel von Knochen und Muskeln als Hebel, sowie die Rolle der Winkelabhängigkeit von angreifenden Kräften. Im zweiten Teil der Versuche geht es um den Abtransport der bei Muskelarbeit entstehenden Wärme über das Blut und die Wärmeabgabe über die Haut durch Schwitzen. Teilversuch Muskel Arbeit und Leistung Vorbereitung Es wird empfohlen, sich nicht nur für die Physik vorzubereiten, sondern sich auch mit den Grundformen der Muskelkontraktion (isometrisch, isotonisch) sowie zusammengesetzten Kontraktionen (Unterstützungskontraktion) vertraut zu machen, sowie mit dem Einfluss einer Last auf die Verkürzungsgeschwindigkeit (Last Geschwindigkeits Beziehung). Hier finden Sie Stichpunkte und Literaturhinweise zur Vorbereitung der Kursinhalte. Bitte achten Sie besonders darauf, sofern physikalisch sinnvoll, Zusammenhänge zwischen den Stichworten herzustellen. Sie haben hier Platz für eigene Anmerkungen oder Fragen. Geschwindigkeit (und gleichförmige Bewegung) Beschleunigung Kraft, vektorielle Kräftezerlegung Gewichtskraft Hebelgesetz 1

2 Drehmoment Arbeit und Leistung (Mechanik) Winkelfunktionen und ihre Umkehrfunktionen Isometrische / Isotonische Kontraktion Unterstützungskontraktion Last Geschwindigkeits Beziehung Muskelarbeit Muskelleistung Konzentrische und exzentrische Kontraktion Physik Literaturvorschläge: Harten: Grundbegriffe (Winkelfunktionen), Kap. 1; Mechanik starrer Körper, Kap. 2; Schatz/Tammer: Physik der starren Körper, Kap. 3.1 Tipler: Mechanik, Teil 1; 2 Eindimensionale Bewegung; 4 Die Newtonschen Axiome; 6 Arbeit und Energie; 9 Drehbewegungen Physiologie Zur Vorbereitung ist die Vorlesung zum Thema Skelettmuskel sowie folgende Lehrbücher geeignet: Literaturvorschläge: KLINKE PAPE SILBERNAGL: Lehrbuch der Physiologie, Kapitel: Muskulatur SCHMIDT LANG HECKMANN: Physiologie des Menschen, Kap.: Muskel DEETJEN SPECKMANN: Physiologie, Kapitel: Muskulatur 2

3 Versuch 1 Fragestellungen: Ziele dieses Versuchs sind, die Verkürzungsgeschwindigkeit des Musculus triceps surae bei verschiedenen Lasten zu bestimmen, die beteiligten Kontraktionsformen des Muskels zu analysieren, und die Leistung des Muskels zu berechnen. Beschreibung Aufbau Im Versuch 1 wird der M. triceps surae durch das Drücken einer drehbar gelagerten Fußplatte belastet, mit der über Umlenkrollen Massenstücke angehoben werden. Der Drehpunkt befindet sich etwa in Höhe ihres Sprunggelenks. Der Versuchsaufbau ist auf einer Liege montiert. Die Winkeländerung der Fußplatte beim Anheben der Last sowie die an den Massen wirkende Kraft werden am PC registriert. Abbildung 1: Schematischer Versuchsaufbau 3

4 Geometrie Nach der grundsätzlichen Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise folgt nun eine detaillierte Betrachtung der geometrischen Gegebenheiten, deren Verständnis zum Berechnen der erforderlichen Werte notwendig ist. Zunächst ist dabei anzumerken, dass der Fuß als Hebel angesehen werden kann. Zur Berechnung der Kontraktionsgeschwindigkeit ist es u. A. erforderlich, die Strecke zu berechnen, um die sich der Muskel verkürzt. Diese Strecke errechnen Sie aus zwei Neigungswinkeln der Fußplatte, die beim Anheben der Last protokolliert werden. Die Geschwindigkeit der Winkeländerung beim Anheben ist nicht gleichmäßig. Zu Beginn und zum Ende dieses Vorgangs ändert sich die Winkelgeschwindigkeit durch Beschleunigungsphasen. Nur im mittleren Teil der Hebebewegung verläuft die Winkeländerung linear. Den Beginn dieses Bereichs der gleichförmigen Bewegung wird durch den Abbildung 2: Geometrie des ersten Versuchs Winkel α 1 gekennzeichnet. Das Ende dieser Phase durch den Winkel α 2. Die Verkürzung des Muskels berechnet sich über trigonometrische Beziehungen (Abbildung 2). lm 1 und lm 2 geben an, um welche Strecke sich der Muskel beim Erreichen der Winkel α 1 bzw. α 2 verkürzt hat. Die Differenz Δlm aus lm 2 und lm 1 liefert schließlich die Verkürzungsstrecke des Muskels im Bereich der linearen Winkeländerung. 4

5 Die geometrischen Beziehungen lauten ausführlich: lm1 cosα1 = lm 1= a cosα1 a lm2 cosα2 = lm2 = a cosα2 a Δ lm = lm lm = a cosα a cosα Δ lm = a (cosα cos α ) 2 1 Durchführung Eine Person stellt sich als Testperson zur Verfügung und nimmt auf der Liege folgende Position ein: Auf die Liege legen Rechten Fuß, ohne Schuh, in die Drehvorrichtung legen und die Polster so einstellen, dass das rechte Bein etwa einen rechten Winkel bildet und der Unterschenkel waagerecht ausgerichtet ist. Unter und Oberschenkel mit den Klettverschlüssen fixieren Versuchsteil A 1.) Die Testperson nimmt auf der Liege Platz und der Korb wird so belastet, dass er noch ohne große Anstrengung per Fußpedal zu bewegen ist. Das Leergewicht kann dafür bereits ausreichen. 2.) Die Testperson hat nun die Aufgabe, nach Start der Messung im Programm LabChart (siehe Anleitung am Arbeitsplatz), den Korb mit einer langsamen, gleichmäßigen Bewegung weitest möglich nach oben zu heben und anschließend wieder zu senken. Achten Sie darauf, dass beim Anheben der Last im Rahmen des Möglichen ausschließlich die Wadenmuskulatur genutzt wird! Vermeiden Sie das Anheben des Beckens oder das Abstützen mit den Händen! 3.) Beschriften Sie die aufgenommene Messung mit Ihren Namen und der Masse des eventuell aufgelegten Gewichtes (Recktsklick "Add comment..."). Dies erleichtert die spätere Zuordnung! 4.) Drucken Sie ein Exemplar des erhaltenen Graphen für jedes Gruppenmitglied aus! (Anleitung am Arbeitsplatz) 6.) Nach erfolgreichem Druck, Programm schließen. 5

6 Versuchsteil B 1.) Nehmen Sie alle Gewichte aus dem Korb und hängen den Korb an der Kette aus. (In diesem Versuch werden Sie die Belastung steigern. Sie beginnen ohne Last und Korb, dann ohne Last aber mit Korb und schließlich mit Last, die in 2,5kg Schritten erhöht wird.) 2.) Die Testperson hat nun die Aufgabe, nach Start der Messung im Programm LabChart (siehe Anleitung am Arbeitsplatz), die Last (bzw. im ersten Durchgang nur Kette) mit einer schnellen, möglichst kräftigen Bewegung weitest möglich nach oben zu heben und anschließend wieder zu senken. Achten Sie darauf, dass beim Anheben der Last ausschließlich die Wadenmuskulatur genutzt wird! Vermeiden Sie das Anheben des Beckens oder das Abstützen mit den Händen! Beschriften Sie die Messung mit der Masse der aufgelegten Last (Rechtsklick "Add comment..."). Das Leergewicht des Korbes beträgt 5kg. 3.) Montieren Sie den Korb wieder an der Kette und wiederholen Sie die Durchführung von Punkt 2. 4.) Erhöhen Sie die Last um 2,5kg und führen Sie weitere Messungen nach Punkt 2 durch. 5.) Wiederholen Sie Punkt 4 bis zu dem Punkt, an dem gerade kein Anheben der Last mehr möglich ist. Nehmen Sie diese Messung aber dennoch auf und notieren Sie sich die Masse dieser Last! Wenn Sie sich darauf konzentrieren, nur die Wadenmuskulatur zu verwenden, ist dieser Punkt schneller erreicht, als Sie womöglich vermuten. 6.) Drucken Sie die Graphen wieder aus. Dabei reicht ein Ausdruck für Ihre Gruppe. 7.) Nach erfolgreichem Druck, Programm schließen. Gewichte nicht aus dem Korb entfernen! 6

7 Auswertung Versuchsteil A Betrachten Sie den ausgedruckten Graphen aus Versuchsteil A (bitte weiter unten einkleben, heften o. Ä.). Markieren Sie isotonische sowie isometrische Bereiche der Muskelkontraktion direkt in Ihrem Ausdruck auf der Zeitachse. Betrachten Sie dazu die beiden übereinander liegenden Graphen von Beginn an Stück für Stück. Zu welchen Zeitpunkten werden Bewegungen registriert und zu welchen wirken Kräfte? 1 Hier Graph aus erstem Versuchsteil einkleben 1 Mögliche Überlagerungen der Bereiche und andere Störfaktoren, die in der Praxis unweigerlich auftreten, können Sie hier vernachlässigen! 7

8 Begründen Sie Ihre Entscheidung knapp und stichpunktartig, aber physikalisch/physiologisch fundiert und nachvollziehbar! Versuchsteil B Starten Sie ein Netbook (Benutzer Praktikum, Passwort Physik) und öffnen Sie die Datei AUSWERTUNG MECHANIK.xls, die auf dem Desktop abgelegt ist. Folgende Spalten füllen Sie anhand Ihrer ausgedruckten Graphen von Teil B aus. Diese sind: Last α 1 α 2 t Gesamtmasse des Korbes und aufgelegter Massestücke Winkel zu Beginn der Phase linearer Bewegung (siehe unten und: "Geometrie") Winkel zum Ende der Phase linearer Bewegung (siehe unten und : "Geometrie") Zeit, die für die Bewegung von α 1 und α 2 benötigt wird Die lineare Bewegung ist der ansteigende, gradlinige Bereich des Winkelgraphen ohne die Krümmung zu Beginn und Anfang. Mit Hilfe eines Lineals o. Ä. können Sie diesen Bereich leicht identifizieren und die Winkel α 1 und α 2 ablesen. Auf der x Achse können sie entsprechend die Zeit t ablesen. Abbildung 3: Hilfestellung zur Identifikation von Winkel und Zeit 8

9 Folgende Spalten werden automatisch berechnet. Diese sind: Δlm v F Länge der Verkürzung des Muskels (Berechnung siehe: "Geometrie") Kontraktionsgeschwindigkeit, "Geschwindigkeit der Muskelverkürzung". Kraft, die der Muskel zum Bewegen der Last aufbringt. Als Umrechnungsfaktor dient dabei der Kraftfaktor für einen Winkel von 90, k f 90. Dabei gilt: Fußwinkel = 90 0 k f 90 = m/s 2 *cm m Der Kraftfaktor ergibt sich aus der Erdbeschleunigung und der Länge des Lastarms kf 90 = cm 2. s Muskelkraft = Last k f 90 a mit a = Länge des Kraftarms Während Sie die Tabelle vervollständigen, wird automatisch ein F v Diagramm erstellt. Dort wird die Verkürzungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Muskelkraft aufgetragen. Drucken Sie die Tabelle und das Diagramm für jedes Gruppenmitglied aus und kleben/heften Sie es auf der nächsten Seite ein! Danach zeichnen Sie frei Hand oder mit Hilfe eines Kurvenlineals den Verlauf einer Funktion, die Ihrer Meinung nach die Messpunkte am besten approximiert, direkt in das ausgedruckte Diagramm ein (die Achsen sollten geschnitten werden)! 9

10 Hier Diagramm und Tabelle einkleben 10

11 In Ihrer Vorbereitung für den Versuch haben Sie sich mit den Begriffen Arbeit: W = F s "Arbeit ist Kraft mal Weg" und Leistung: W F s P = = = F v "Leistung ist Arbeit pro Zeit" t t auseinander gesetzt. Wie lässt sich die erbrachte Leistung an einem beliebigen Punkt aus Ihrer gezeichneten Funktion berechnen? Erklärung in wenigen Worten: Diskutieren Sie nun die Behauptung: "Die größte Krafteinwirkung bedeutet automatisch die größte Leistung." Markieren Sie dazu 10 Punkte auf Ihrer gezeichneten Funktion, von denen zwei die beiden Achsenschnittpunkte (F=0 und v=0) sein müssen. Tragen Sie die Wertepaare in untenstehende Tabelle ein und berechnen Sie nach Ihrer oben kurz beschriebenen Methode die jeweils erbrachte Leistung. F [N] v [m/s] Leistung [ ] 11

12 Zeichnen Sie nun den Verlauf der Leistung in Abhängigkeit von der Muskelkraft! Wo liegt das Maximum der im physikalischen Sinn erbrachten Leistung? 12

13 Welche Leistung wird bei maximaler Last erbracht, welche bei minimaler? Nennen Sie konkrete Beispiele aus dem Alltag (etwa beim Sport), bei denen Ihre Erkenntnisse eine Rolle spielen! Bestimmen Sie nun den maximalen Betrag der Muskelkraft, die sie unter isometrischen Bedingungen leisten könnten. Entnehmen Sie diesen ihrem Ausdruck bzw. der Excel Tabelle. Die maximale Muskelkraft bei isometrischer Kontraktion beträgt: N 13

14 Versuch 2 Fragestellungen: Ziele dieses Versuchs sind, zu untersuchen, welche Formen der Kontraktion des M. biceps bei Beugung des Unterarms zum Anheben eines Gewichtes sowie beim Halten eines Gewichtes mit waagerechtem Unterarm körpernah bzw. körperfern vorliegen. Außerdem wird die notwendige Verkürzung des Muskels zum Anheben eines Gewichts um 20cm bestimmt. Zur Erklärung ist die Anwendung des Hebelgesetzes notwendig. Beschreibung Aufbau Abbildung 4: Schematischer Aufbau und Geometrie von Versuch 2 Der Aufbau ist einem menschlichem Arm nachempfunden. Ober und Unterarm sind in einem Drehpunkt verbunden. Der Kraftmesser mit dem angebrachten Seil, das über die Umlenkrolle läuft, erfüllt hier die Funktion des Musculus bizeps brachii. Ziehen Sie an dem Seil, wirkt eine Kraft auf den Unterarm. Geometrisch handelt es sich um einen einseitigen Hebel. Der Winkel α soll durch Sie im Versuch variiert werden. Dies geschieht durch Neigen der Metallstange (Schraube am Drehgelenk der Tischbefestigung zum Lösen und Befestigen). Seien Sie dabei vorsichtig, denn der Aufbau ist während des Verstellens nicht mehr absolut stabil und Teile könnten sich unkontrolliert bewegen! Am Unterarm sind zwei Gewichte montiert. Dies ist zunächst das Gegengewicht (1kg) angebracht an einem Faden nahe dem Drehpunkt. Dieses dient zum Kompensieren des Eigengewichts der Armkonstruktion, so dass dieses fast vernachlässigt werden kann. Das an der Hand angebrachte Gewicht ist die Last (50g). 14

15 Durchführung Die Durchführung gelingt Ihnen am besten in Gruppen von 3 4 Personen. Versuch A: Vorbereitung: Stellen Sie den Winkel α so ein, dass er bei horizontalem Arm etwa 90 beträgt. Senken Sie den Arm nun soweit ab, dass das Gewicht auf dem Tisch aufliegt. Der Winkel sollte etwa 70 betragen. Gleich wird es u. A. ihre Aufgabe sein, den Unterarm zu beugen. Bitte notieren Sie vorher hier ihre Vermutung, wie der Verlauf der Kraft sein wird, die Sie während des Beugevorgangs am Kraftmesser ablesen können. 1.) Vervollständigen Sie untenstehende Tabelle durch Messung der Länge des Bizeps sowie der aufgewandten Kraft bei den angegebenen Winkeln. So messen Sie die Kraft: Stellen Sie den Arm in den entsprechenden Winkel ein und verringern Sie Ihre aufgewandte Kraft solange, bis sich der Unterarm wieder minimal zu senken beginnt! Die Kraft, die Sie in diesem Moment ablesen, nehmen Sie in untenstehende Tabelle auf. So messen Sie die Länge: Messen Sie vom Kraftangriffspunkt am Unterarm bis zur Mitte der Umlenkrolle an der Schulter! Beachten Sie: Für 70 führen Sie zwei Messungen durch. Bei der ersten müssen Sie lediglich die Länge bestimmen. Die Kraft beträgt 0N, da das Gewicht ja noch auf dem Tisch aufliegt. Bei der zweiten wenden Sie so viel Kraft auf, um den Arm minimal bewegen zu können. Bestimmen Sie diese Kraft nach beschriebenem Verfahren. Winkel [ ] Kraft [N] Länge [cm]

16 Versuch B: 1.) Stellen Sie den Winkel α so ein, dass dieser bei horizontaler Lage des Unterarms 40 groß ist. Halten Sie den Unterarm nur mit Hilfe des Kraftmessers und des Seils in horizontaler Position! Beachten Sie die Anzeige der Wasserwaage! 2.) Um die dafür nötige Kraft am Kraftmesser abzulesen, verringern Sie ihre aufgewandte Kraft solange, bis der Unterarm sich minimal zu senken beginnt. Die Kraft, die Sie in diesem Moment ablesen, nehmen Sie in untenstehende Tabelle auf gemeinsam mit dem eingestellten Winkel α. 3.) Als nächstes vergrößern Sie den Winkel um etwa 5 10 und wiederholen Sie das Vorgehen: Bringen Sie den Unterarm in horizontale Position (Wasserwaage beachten) und halten Sie diese nur mit dem Kraftmesser bei, geben Sie bis zu einer minimalen Abwärtsbewegung des Arms nach und lesen Sie in diesem Moment Kraft und Winkel ab und tragen diese ein. 4.) Wiederholen Sie diesen Messvorgang, bis Sie 10 Messwertpaare aufgenommen haben. Schöpfen Sie dabei das vorhandene Winkelspektrum voll aus! Auf jeden Fall aber messen Sie den Winkel bei α=90! Winkel [ ] Kraft [N] 16

17 Versuch C Vorbereitung: Bringen Sie den Unterarm in horizontale Stellung und stellen Sie den Winkel auf 90 ein. Positionieren Sie den senkrechten Messstab mit beiden orangen Markierungen so neben dem Lastgewicht, dass Sie einfach ablesen können, welche Strecke das Lastgewicht beim Anheben zurücklegt. Vervollständigen Sie untenstehende Tabelle mit folgenden zwei Messreihen! 1.) Für die erste Messreihe bestimmen Sie nach bekanntem Verfahren erneut die Kraft, die im Winkel von 90 zur Erhaltung der horizontalen Position nötig ist, sowie die Muskellänge. Heben Sie das Gewicht um 20cm an und messen beide Parameter erneut. 2.) Für die zweite Messreihe führen Sie den am Unterarm angebrachten Faden zusätzlich unter dem zweiten Angriffspunkt hindurch. Somit verkürzt sich der Kraftarm. Führen Sie nun die Punkt 1 erneut durch! Messreihe 1 Messreihe cm 90 20cm Kraft [N] Muskellänge [cm] 5.) Messen Sie die Länge des Lastarms und die Länge beider Kraftarme. Lastarm: Kraftarm lang: Kraftarm kurz: 17

18 Auswertung Versuch A: Zeichnen Sie das Kraft Längen Diagramm zu Ihren Werten (Kraft in Abhängigkeit von der Muskellänge). Identifizieren Sie anhand Ihrer Aufzeichnungen und Daten, welche Art der Muskelkontraktion in Versuch A vorlag! Begründen Sie kurz! Inwiefern haben sich ihre Vermutungen bestätigt? 18

19 Versuch B: Stellen Sie die aufgewandte Kraft in Abhängigkeit vom jeweiligen Winkel dar. Beschreiben Sie den Verlauf der Kraft in Stichpunkten. Betrachten Sie dabei auch vor allem den Verlauf in Richtung sehr großer oder sehr kleiner Winkel. Weshalb scheint es unmöglich, dass der Angriffswinkel des Bizeps am realen, ganz gestreckten jemals 0 beträgt? 19

20 Identifizieren Sie anhand Ihrer Aufzeichnungen und Daten die Art der Muskelkontraktion. Begründen Sie stichpunktartig! Versuch B: Um diese Strecke verkürzte sich die Muskellänge in Messreihe 1: cm Messreihe 2: cm Dies ist die Differenz zwischen den aufgewandten Kräften beider Messreichen Differenz bei 90 : N Differenz bei 20cm : N Betrachten Sie diese Ergebnisse und diskutieren Sie anhand dessen die Frage, ob ein eher langer oder kurzer Kraftarm am menschlichen Unterarm sinnvoller wäre. 20

21 Berechnen Sie nach dem Hebelgesetz die theoretisch notwendige Kraft zum Halten der Last in 90 Stellung (für kurzen und langen Kraftarm). Nutzen Sie dazu Ihre gemessenen Werte für die die Längen von Kraft und Lastarm! Theor. Wert bei langem Kraftarm: N Theor. Wert bei kurzen Kraftarm: N Wie gut stimmen gemessene und berechnete Werte überein? 21

22 Anmerkungen, Fragen, Nebenrechnungen: 22

23 Teilversuch Wärme Wärmekapazität, Schmelz- und Verdunstungsenergie 1 Einleitung Die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit kann nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nie verlustfrei erfolgen. Nur ein Teil der chemischen Energie kann in mechanische Arbeit umgewandelt werden. Der verbleibende Rest wird als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben und führt dort zu einem Temperaturanstieg. Das Verhältnis zwischen mechanischer Arbeit und umgesetzter chemischer Energie nennt man Wirkungsgrad. Für Muskelarbeit liegt dieser Wirkungsgrad bei nicht-isometrischen Kontraktionen im Bereich von ungefähr 25%. Das heißt, drei viertel der umgesetzen Energie wird als Wärme abgegeben. Bei intensiver sportlicher Betätigung kann die Gesamtleistung kurzzeitig auf über 2 kw ansteigen. Die erzeugte Wärme entspricht dann der eines Heizlüfters. Dennoch kann die Körpertemperatur weitgehend konstant gehalten werden. Auch hohe lokale Temperaturspitzen im Muskel, die dort unweigerlich zum Denaturieren von Proteinen führen würden, treten nicht auf. Verantwortlich dafür sind die im Vergleich zu vielen andern Stoffen ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers, die für eine thermische Trägheit und einen effektiven Abtransport von Wärmeenergie sorgen. 1

24 2 Vorbereitung Zum Verständnis der im Versuch auftretenden Phänomene und zur Auswertung Ihrer Experimente benötigen Sie Grundkenntnisse der Wärmelehre zu den Themen: Temperatur, Temperaturskalen spezifische Wärmekapazität Wärmetransport (Wärmestrahlung, Konvektion, Wärmeleitung) Schmelzen und Verdampfen, Verdunsten elektrische Heizleistung Für die Vorbereitung können Sie Lehrbücher, das Vorlesungsskript oder den Theorieteil der Praktikumsanleitung verwenden. Der Theorieteil ist in der gedruckten Version des Skripts nicht enthalten, sondern findet sich als separater Download im LON-CAPA-System unter: 2

25 3 Versuch: Mischungs- und Gleichgewichtstemperaturen Aufgabe Messen Sie die Mischungstemperaturen unterschiedlicher Stoffgemische jeweils unter identischen Bedingungen und vergleichen Sie die resultierenden Mischungstemperaturen. Mischungstemperatur zweier Wassermengen Es sollen 500 g Wasser mit einer Temperatur von 0 C mit 500 g siedendem Wasser von 100 C gemischt werden. 1. Wasser von 0 C erhalten Sie am einfachsten, indem Sie aus einem Eis/Wassergemisch Wasser abschöpfen. In einem der Styroporbehälter am Messplatz befindet sich ein vorbereitetes Eis/Wassergemisch. Wiegen Sie daraus 500 g Wasser ab. In der abgewogenen Wassermenge darf sich kein Eis mehr befinden. 2. Erhitzen Sie mit dem Wasserkocher 500 g Wasser bis zum Sieden. 3. Sobald das Wasser am Sieden ist, schalten Sie den Wasserkocher aus. Gießen Sie das warme Wasser in das Gefäß mit dem kalten Wasser. 4. Mischen Sie das Wasser mit dem Thermometer kurz durch und protokollieren Sie die Endtemperatur. Mischungstemperatur eines Eis/Wassergemisches Es sollen 500 g Eis mit einer Temperatur von 0 C mit 500 g Wasser von 100 C gemischt werden. 1. In einem zweiten Styroporbehälter am Messplatz befindet sich Eis. Wiegen Sie davon 500 g in einem Messbecher ab. Wir gehen davon aus, dass dieses Eis eine Temperatur von 0 C aufweist (ggf. durch Nachmessen kontrollieren). 2. Erwärmen Sie wie im Versuchsteil zuvor 500 g Wasser auf 100 C. 3. Gießen Sie das warme Wasser in das Gefäß mit dem Eis. 4. Rühren Sie das Eis/Wassergemisch mit dem Thermometer solange durch, bis alles Eis geschmolzen ist und protokollieren Sie die Endtemperatur. 3

26 Gleichgewichtstemperatur eines Eisen/Wassergemisches Es soll ein 500 g Eisengewicht mit einer Temperatur von 0 C mit 500 g Wasser von 100 C gemischt werden. 1. Kühlen Sie das Eisengewicht im Eiswasser auf 0 C herunter. 2. Erzeugen Sie wie im Versuchsteil zuvor 500 g siedendes Wasser von 100 C. 3. Entnehmen Sie das Eisengewicht aus dem Eiswasser uns stellen Sie es in einen Messbecher. 4. Gießen Sie das warme Wasser in das Gefäß mit dem Eisengewicht. 5. Rühren Sie das Wasser mit dem Thermometer gut durch. Nach 15 s protokollieren Sie die Endtemperatur. Protokoll Wasser/Wasser Wasser/Eis Wasser/Eisen T M = T M = T M = Auswertung Erklären Sie die unterschiedlichen Mischungstemperaturen. Wie können Sie mit den Diagrammen auf der nächsten Seite Mischungstemperaturen von Wasser/Wasser, Wasser/Eis, Wasser/Dampf und Eis/Dampf Gemischen graphisch ermitteln, sofern von beiden Anteilen gleiche Massen verwendet werden? Bestimmen Sie graphisch die Mischungstemperatur für eine Mischung von gleichen Massen Eis und Wasser von 0 C bzw. 100 C.

27 Abbildung 1: Temperaturänderung von Wasser bei Zufuhr von Wärmeenergie. Masse 1 kg. Unten Ausschnittvergrößerung. 5

28 4 Versuch: Erwärmen bei konstanter Heizleistung Aufgabe Die Wasserkocher im Praktikum besitzen eine konstante Heizleistung. Überprüfen Sie, ob Sie die Temperaturerhöhung des Wassers bei bekannter Wärmekapazität korrekt vorhersagen können. Die Heizleistung der Wasserkocher liegt im Bereich 1,5 kw bis 2,2 kw und ist am Messplatz angegeben. Rechnung Die Temperaturerhöhung T eines Körpers der Masse m, dem die Wärmeenergie W zugeführt wird, ergibt sich nach folgender Formel: T = 1 c W m Dabei ist c die spezifische Wärmekapazität. Berechnen Sie damit die Temperaturerhöhung T für eine Heizdauer von 1 min und eine Wassermasse von 2 kg. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist c = 4, J/(kg K). W = T = Zum Vergleich, welche Temperaturerhöhung würden Sie erwarten, wenn Sie stattdessen diese Energiemenge einem Eisengewicht der gleichen Masse zuführen würden. Die spezifische Wärmekapazität von Eisen ist c = 449 J/(kg K). T Eisen = Messung Messen Sie nun die Temperaturerhöhung unter den oben angegebenen Bedingungen für Wasser nach. Der Wasserkocher muss dabei nach der abgelaufenen Zeit an der Steckerleiste ausgeschaltet werden. Aufgrund der hohen Temperatur der Heizplatte müssen Sie nach dem Ausschalten etwas warten, bis sich die Wassertemperatur stabilisiert hat. Um eine gleichmäßige Erwärmung des Wassers zu erreichen, muss während der Heizdauer ständig mit dem Thermometer umgerührt werden. T Start = T Ende = T = 6

29 5 Versuch: Kühlen durch Verdunsten Aufgabe In diesem Versuchsteil soll das Verdunstungskühlen qualitativ demonstriert werden. Versuchsdurchführung Am Messplatz steht ein Thermometer mit sehr feinem Temperaturfühler zur Verfügung. Aufgrund der geringen Masse des Fühlers genügt bereits die Zu- oder Abfuhr kleiner Wärmemengen, um zu deutlich sichtbaren Temperaturänderungen zu gelangen. Achtung: Der Temperaturfühler kann durch Knicken leicht beschädigt werden. Er ist mechanisch empfindlich (und teuer). Beginnen Sie mit diesem Versuchsteil erst nach einer Einweisung durch einen Tutor. 1. Stecken Sie den Temperaturfühler vorsichtig in das Schaumstoffpad vor dem Lüfter. 2. Mit der Transferpipette können Sie unterschiedliche Flüssigkeiten auf das Schaumstoffpad tropfen. 3. Durch Ein- und Ausschalten des Lüfters kann nun die Wirksamkeit des Verdunstungskühlens mit und ohne Luftzug demonstriert werden. 4. Beobachten Sie, wie weit die Temperatur jeweils unter die Umgebungstemperatur absinkt. 5. Wiederholen Sie den Versuch mit einer anderen Flüssigkeit. Dazu muss das Schaumstoffpad ausgetauscht werden. Protokoll keine Flüssigkeit Wasser Ethanol Temperatur ohne Lüfter Temperatur mit Lüfter