Technische Thermodynamik

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1 Kalorimetrie 1 Technische Thermodynamik 2. Semester Versuch 1 Kalorimetrische Messverfahren zur Charakterisierung fester Stoffe Namen : Datum : Abgabe : Fachhochschule Trier Studiengang Lebensmitteltechnik Prof. Dr. Regier / PhyTa Vera Bauer 02/2010

2 Kalorimetrie 2 Kalorimetrie Versuch A - Spezifische Wärmekapazität fester Körper Ziel des Versuches Experimentelle Bestimmung der spezifischen Wärmekapazitäten c verschiedener fester Stoffe. Grundlage Erwärmt man verschiedene Stoffe gleicher Masse m um die gleiche Temperaturdifferenz ϑ *), so sind die zugeführten Wärmeenergien Q 12 unterschiedlich groß. Jeder Stoff besitzt eine für ihn charakteristische spezifische Wärmekapazität. Prinzip Die für eine bestimmte Temperaturerhöhung ϑ benötigte Wärmeenergie Q 12 ist nicht nur von der zu erwärmenden Masse abhängig, sondern auch von dem erwärmten Stoff selbst. Es gilt: ϑ, ϑ ϑ ϑ dabei ist c eine Stoffkonstante, die spezifische Wärmekapazität; sie gibt an, wie viel Wärmeenergie (gemessen in Joule) man einem Kilogramm des Stoffes zuführen muss, um ihn um 1 C zu erwärmen. Ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser bekannt, so lässt sich die spezifische Wärmekapazität eines festen Körpers mit einem Kalorimeter bestimmen. Dazu erwärmt man die Masse m 1 eines festen Körpers auf die Temperatur ϑ 1, und taucht ihn in ein mit Wasser der Temperatur ϑ 2 gefülltes Kalorimeter. Zwischen dem erwärmten festen Körper und dem Wasser stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein, d.h. es ergibt sich eine Mischungstemperatur ϑ m. Gilt ϑ ϑ, so gibt der wärmere feste Körper Wärmeenergie an das Wasser und das Kalorimetergefäß ab, und nach dem Energieerhaltungssatz folgt ϑ ϑ ϑ ϑ ϑ ϑ (2) Dabei ist während ist. die Wärmekapazität des Kalorimeters, die spezifische Wärmekapazität von Wasser, die zu bestimmende spezifische Wärmekapazität des festen Körpers Aus Formel (2) folgt ϑ ϑ ϑ ϑ (3) Spezifische Wärmekapazität von Wasser : Wärmekapazität des Kalorimeters : = 4187 J/kg K = 70 J/ K

3 Kalorimetrie 3 Geräte und Einrichtungen - Kalorimetergefäß - 2 Temperaturfühler an Anzeigegerät angeschlossen - 1 Becherglas - 3 Metallzylinder (Aluminium, Messing, Stahl) - 1 Waage - 1 Heizplatte Durchführung Durch Wägung ist die Masse der 3 Metallzylinder (Aluminium, Messing, Stahl) zu ermitteln und in Tabelle 1 einzutragen. Das Kalorimeter wird mit 200 g Wasser gefüllt und dessen Temperatur bestimmt. Ein Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt, auf die Heizplatte gestellt und erhitzt. Beginnt das Wasser zu sieden, wird ein Metallkörper ins Becherglas gehangen und ca. 5 Minuten erwärmt. Anschließend wird einer der drei Metallzylinder möglichst rasch ins Kalorimeter eingebracht und der Deckel sofort wieder geschlossen. Mit dem Rührer des Kalorimeters wird so lange gerührt, bis sich eine konstante Mischungstemperatur eingestellt hat. Die Versuchsdurchführung ist für die beiden übrigen Metallzylinder zu wiederholen. Dabei wird das Kalorimetergefäß jedes Mal neu mit Wasser befüllt. Messprotokoll Tabelle 1 m Körper m Wasser ϑ 2 (Kalorim.) ϑ 1 (Al, M, S) ϑ m Auswertung Anhand der ermittelten Messwerte und mittels Formel (3) sind die spezifischen Wärmekapazitäten der untersuchten Materialien zu berechnen und in die Tabelle 2 einzutragen. Vergleichen Sie die experimentell ermittelten Wärmekapazitäten mit denen die Sie in der Literatur finden. Wodurch lassen sich Abweichungen erklären? Tabelle 2 c (Al, M, S) c (Literatur

4 Kalorimetrie 4 Versuch B - Kalorimetrische Temperaturbestimmung Ziel des Versuches Indirekte Temperaturermittlung verschiedener Körper mittels Kalorimeter. Grundlage Ist die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gegeben, kann dessen Temperatur über die abgegebene Wärmeenergie an ein definiertes Wasservolumen kalorimetrisch festgestellt werden. Prinzip Zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur, die nicht thermisch voneinander isoliert sind, findet solange ein Energietransport statt, bis sich das thermische Gleichgewicht eingestellt hat. Im thermischen Gleichgewicht haben beide Körper die gleiche Temperatur. Die vom wärmeren Körper abgegebene Wärmeenergie Q ab ist gleich der vom kälteren Körper aufgenommenen Wärmeenergie Q zu (Energie- Erhaltungssatz): Die Temperatur ϑ K eines festen Körpers der Masse m K lässt sich in einem "Mischungsversuch" bestimmen. Dazu taucht man den Körper in ein mit Wasser der Temperatur ϑ 1 (ϑ K > ϑ 1 ) gefülltes Kalorimeter. Nachdem sich das thermische Gleichgewicht eingestellt hat, gilt ϑ ϑ, (4) dabei ist c K die spezifische Wärmekapazität des Körpers. Diese Wärmeenergie wird vom Wasser im Kalorimeter und vom Kalorimetergefäß selbst aufgenommen: ϑ ϑ ϑ ϑ, wobei die spezifischen Wärmekapazität von Wasser und die Wärmekapazität des Kalorimeters ist. Damit folgt nach Formel (4) für die zu bestimmende Temperatur ϑ K des Körpers ϑ ϑ + ϑ (5) Im folgenden Versuch werden die Temperaturen von verschiedenen Metallkörpern, die in einer Brennerflasche erwärmt wurden, kalorimetrisch bestimmt.

5 Kalorimetrie 5 Durchführung Die Metallzylinder werden ohne Faden a. 5 Minuten auf dem Spiegel-, oder Infrarotbrenner erhitzt. Das Kalorimetergefäß ist mit 200 g Wasser zu füllen und die Wassertemperatur in Tabelle 3 eingetragen. Anschließend wird einer der drei Metallzylinder rasch ins Kalorimeter gegeben und die Mischungstemperatur ermittelt. Die Versuchsdurchführung läuft für die übrigen Probestücke äquivalent ab. Messprotokoll Tabelle 3 m Wasser ϑ 1 (Kalorim.) ϑ m c (Al,M,S) Auswertung Mit den zugrunde liegenden Messergebnissen lassen sich über Formel (5) die jeweiligen Temperaturen der Probekörper berechnen. Tabelle 4 ϑ (Al,M,S) Die Berechnungen sind auf einem separaten Blatt beizufügen. Frage Wo liegen Ihrer Meinung nach mögliche Fehlerquellen, welche die Messergebnisse beeinflussen und wie könnten diese vermindert bzw. ausgeschaltet werden?

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