Spezifische Wärmekapazität von Wasser mit SMARTsense (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Spezifische Wärmekapazität von Wasser mit SMARTsense (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Wärmelehre Unterthema: Wärmeenergie Experiment: Spezifische Wärmekapazität von Wasser mit SMARTsense Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Tablet measureapp Schlagwörter: spezifische Wärmekapazität von Wasser, elektrische Leistung, Wärmemenge, Temperaturänderung Lehrerinformation Lehrerinformationen Die spezifische Wärmekapazität von Wasser soll in diesem Versuch gemessen werden. Die Wärmekapazität des Kalorimeters selbst wird hier außer Acht gelassen, sollte jedoch als systematischer Fehler erwähnt werden (Frage 8.) Es wird vorausgesetzt, dass die Wärmeaufnahme eines Stoffes proportional seiner Menge und unabhängig von der Temperatur ist. Es wird ebenfalls vorausgesetzt, dass die elektrische Leistung vollständig in Wärme umgewandelt wird und der Zusammenhang zwischen elektrischer Energie und Wärmemenge bekannt ist. Achtung! Die Heizwendel muss sich in Wasser befinden, wenn sie an das Netzgerät angeschlossen wird! Hinweise zu Aufbau und Durchführung Es soll nur die geringere Heizleistung bei 6 V~ benutzt werden, damit Messfehler durch schlechte Verteilung der Wärme und Isolationsverluste des Kalorimeters keine große Rolle spielen. Große Temperaturunterschiede führen hier zu großen Messfehlern es empfiehlt sich, dass alle Teile und das Wasser sich auf (gleichmäßiger) Raumtemperatur befinden. Strom und Spannung können auch ohne Umstecken des Messgerätes gemessen werden, wenn nach Abb. 1a und 1b verschaltet wird. Es sind dann die Messbereiche 10 A~ und 10 V~ zu benutzen.

2 Lehrer-/Dozentenblatt Abb. 1a: Aufbau im Fall der gleichzeitigen Messung Abb. 1b: Schaltskizze

3 Spezifische Wärmekapazität von Wasser mit SMARTsense (Artikelnr.: P ) Einleitung Einführung Wenn im Sommer die Sonne untergeht, wird es im Gras im Garten schnell recht frisch, wohingegen es auf der Terrasse nahe am Haus noch angenehm warm ist. Dies liegt an der unterschiedlichen Fähigkeit von Materialien thermische Energie aufzunehmen. Diese Eigenschaft wird spezifische Wärmekapazität genannt. Mit der spezifischen Wärmekapazität kann man auch herausfinden, wie viel Energie benötigt wird, um zum Beispiel Wasser zu erwärmen. In diesem Versuch sollst du nun selber bestimmen, wie viel Energie genau gebraucht wird, um Wasser um eine bestimme Temperaturänderung zu erwärmen. Aufgabe Wie hängen Wärmemenge, Wärmekapazität und Temperaturänderung zusammen? Erwärme 200 ml Wasser mit einer elektrischen Heizwendel. Miss die Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von der Zeit. Bestimme die elektrische Leistung der Heizwendel und damit die vom Wasser aufgenommene Wärmemenge je Grad Temperaturerhöhung.

4 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Cobra SMARTsense - Temperature, C Deckel für Schülerkalorimeter Rührstab Heizspule mit Buchsen Filzplatte, 100 x 100 mm Erlenmeyerkolben, Weithals, BORO 3.3, 250 ml Becherglas BORO 3.3, 250 ml, niedrige Form Becherglas BORO 3.3, 400 ml, niedrige Form Messzylinder 100 ml, PP transparent Pipette mit Gummikappe Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot PHYWE Netzgerät, RiSU-2016-konform DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Vielfachmessinstrument, analog Zusätzlich benötigt: Tablet 1 PHYWE measureapp 1 Android ipad

5 Aufbau und Durchführung Aufbau Fülle den Erlenmeyerkolben mit Wasser (Vorratsgefäß mit Zimmertemperatur). Setze aus zwei Bechergläsern (250 ml und 400 ml) und zwei Filzplatten ein wärmeisolierendes Gefäß (Kalorimeter) zusammen, in dem du mit dem Filz das größere Becherglas auskleidest und dann das kleinere hineinsteckst. Schiebe die Heizwendel vorsichtig in den Schlitz im Kalorimeterdeckel. Schiebe den Rührstab von unten durch die entsprechende Bohrung im Deckel. Achte darauf, dass das Netzgerät noch ausgeschaltet ist. Abb. 1: Versuchsaufbau

6 Durchführung Schalte das Cobra SMARTsense-Temperature an. Öffne die "measure" App. Wähle den Temperatursensor aus. Stelle die Abtastrate auf 1 Hz. und gehe in das Diagramm-Fenster. Miss 200 ml Wasser aus dem Erlenmeyerkolben im Messzylinder ab (genaues Abmessen mit Hilfe der Pipette) und fülle es in das Kalorimeter. Protokolliere die Wassermenge. Setze den Deckel mit Heizwendel und Rührstab auf das Kalorimeter und stecke den Temperatursensor so weit durch das verbliebene Loch im Deckel, dass er in das Wasser eintaucht, aber den Boden nicht berührt. Schließe Heizwendel und Vielfachmessinstrument mit den Verbindungsleitungen an den Wechselspannungsausgang 6 V~ an (Netzgerät aus!), wie es in Abb. 2a dargestellt ist. Wähle den Messbereich 3 A~ aus. Rühre und warte, bis die Temperaturanzeige konstant bleibt. Starte gleichzeitig die Messwertaufnahme in der measureapp Jede Sekunde wird ein Temperaturmesswerte aufgenommen. und schalte das Netzgerät ein. Rühre während der Messung das Wasser im Kalorimeter sorgfältig um, damit sich die Wärme gleichmäßig verteilt. Beginne sofort nach Beginn der Messung mit Rühren. Beende die Messung mit beenden) nach 350 s und speichere sie ab. Protokolliere die Stromstärke, schalte dann das Netzgerät aus. Schließe Heizwendel und Vielfachmessinstrument mit den Verbindungsleitungen an den Wechselspannungsausgang 6 V~ an, wie in Abb. 2b dargestellt, Wähle Messbereich 10 V~. Schalte das Netzgerät ein und protokolliere die Spannung. Schalte das Netzgerät wieder aus! Abb. 2a Abb. 2b

7 Auswertung Wähle in der App die Regressionsgerade aus und lege sie durch den hinteren Teil der Kurve. Die Steigung der Kurve ist die Temperaturänderungsrate mit der Einheit C/s. Sie wird für die weitere Auswertung im Protkoll benötigt. Abb. 3: Verlauf der Temperatur mit der Zeit bei elektrischer Heizung, Auswertung mit Regression -Werkzeug der measureapp.

8 Protokoll: Spezifische Wärmekapazität von Wasser mit SMARTsense Auswertung - Tabelle 1 (4 Punkte) Fülle das Messergebnisprotokoll (Tabelle 1) aus (Wasser hat die Dichte 1,00 g/ml). Masse des Wassers m Wasser / g elektrische Spannung U / V 6,0 1 elektrische Stromstärke I / A 2,1 1 gemessene Temperaturänderungsrate / C/s 0,015 1

9 Auswertung - Tabelle 2 (5 Punkte) 1. Für die elektrische Leistung gilt mit der Einheit. Wie groß ist die elektrische Leistung? Ergänze Tabelle Wie groß ist die Wärmemenge mit der Einheit, die bei dieser Leistung jede Sekunde von der Heizwendel abgegeben und vom Wasser aufgenommen wird? Ergänze Tabelle Wenn ordentlich umgerührt wird, dann verteilt sich die Wärmemenge gleichmäßig auf die gesamte Masse des Wassers. Wie groß ist die Wärmemenge, die jedes Gramm Wasser aufnimmt, also die spezifische Wärmemenge im Kalorimeter? Ergänze Tabelle Wie groß ist die Temperatursteigung nach einer Sekunde? Ergänze Tabelle Wenn die spezifische Wärmemenge durch die Temperaturänderung geteilt wird, ergibt sich die spezifische Wärmekapazität. Berechne sie für Wasser und ergänze Tabelle 2. Bemerkung zu den Berechnungen Diese Rechnung gilt natürlich nicht nur in Sekundenschritten, sondern es gilt allgemein für die spezifische Wärmekapazität:, wobei die Temperaturänderungsrate ist. Außerdem ergibt sich für die Änderung des Wärmeinhaltes eines Stoffes mit Masse und spezifischer Wärmekapazität, wenn sich seine Temperatur um ändert: elektrische Leistung P in J/s 12,6 Wärmemenge ΔQ nach einer Sekunde in J 12,6 spezifische Wärme ΔQ spez = ΔQ/m Wasser in J/g 0,063 Temperaturänderung nach 1 Sek. Δθ in C 0,015 spezifische Wärmekapazität c Wasser = ΔQ/Δθ in J/(g C) 4,2

10 Ergebnis - Frage 1 (5 Punkte) Warum ist der hier gemessene Wert für die Wärmekapazität von Wasser größer als der tatsächliche? Welche zwei Fehlerquellen überwiegen? Ergebnis - Frage 2 (2 Punkte) Ergänze: Je größer die Wärmekapazität eines Stoffes, desto Je kleiner die Wärmekapazität eines Stoffes, desto ist die Wärmemenge, die nötig ist, um den Stoff um 1 C zu erwärmen. erwärmt er sich bei gegebener Heizung. Ergebnis - Frage 3 (5 Punkte) Berechne mit dem gefundenen Messwert für die Wärmekapazität von Wasser: Wie lange muss ein Wasserkocher mit 1000 Watt (1 kw) heizen, damit ein Liter Wasser von 15 C auf 95 C aufgeheizt wird? Wie viel J bzw. kwh elektrischer Energie hat der Wasserkocher dabei verbraucht? (1 kwh = 3600 kws = 3,6 MJ).

11 Ergebnis - Frage 4 (5 Punkte) Jemand braucht 80 l Wasser zum Duschen. Der benutzte Durchlauferhitzer erwärmt das Wasser von 15 C auf 40 C. Welche Wärmemenge wird benötigt? Bemerkung: Die Wärmekapazität von Wasser wurde früher zum Definieren der Einheit für Wärmemengen benutzt. Die Wärmemenge, die nötig ist, 1 ml Wasser von 14,5 C auf 15,5 C zu erwärmen, legte die Wärmemenge eine Kalorie (cal) fest. Mit der Beziehung 1 kcal = 4,186 kj ergibt sich der Literaturwert für die Wärmekapazität von Wasser. Eine tägliche Diät von 2500 kcal entspricht so der Aufnahme von 10,5 MJ oder 2,9 kwh (Vergleiche mit Ergebnis).