Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck (Artikelnr.: P042700) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Wärmelehre Unterthema: Wärmeausdehnung Experiment: Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 0 Minuten 0 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Streichhölzer Filzschreiber Schere Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Erwärmung eines Luftvolumens kann sowohl zur Vergrößerung des Volumens als auch zur Erhöhung des Druckes führen. In diesem Versuch muss der Druck konstant gehalten werden. Das geschieht dadurch, dass der Wasserstand in den beiden Schenkeln des Manometers vor dem Ablesen der Volumenänderung wieder auf gleiche Höhe gebracht wird. Hinweise. Der Stopfen muss fest in den Erlenmeyerkolben eingesetzt werden, damit während der Messung keine Luft entweichen kann. 2. Die Schenkel des Manometers müssen zu Beginn unterschiedlich hoch befestigt werden, damit durch Verschieben der Schenkel immer wieder ein gleich hoher Wasserstand eingestellt werden kann. 3. Das Manometer ist langsam zu füllen, damit keine Luftblasen entstehen. Das geschieht mit Hilfe des kleinen Becherglases. Auf ein Glasrörchen wird als Einfüllhilfe ein Schlauchstück gesetzt. 4. Um genügend Messpunkte zu erhalten, sollten die Temperaturänderungen nur C betragen, daher darf nur kurzzeitig erwärmt werden. 5. Da der Wärmekontakt zwischen Luft und Thermometer schlecht ist, wird die Temperatur im Wasser gemessen. Das erfordert einen sorgfältigen Temperaturausgleich zwischen Wasser und Luft in Erlenmeyerkolben (rühren und warten). Informationen zu den Aufgaben In der Zusatzaufgabe wird der Volumen-Ausdehnungskoeffizient berechnet und mit dem Kehrwert der absoluten Temperatur verglichen. Zusatzaufgabe : Das Lufvolumen im Schlauch wird nicht berücksichtigt, da es nicht erwärmt wird. Zusatzaufgabe 2: Der Volumen-Ausdehnungkoeffizient sollte aus der Geradensteigung bestimmt werden. Er kann auch als Mittelwert berechnet werden.

2 Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck (Artikelnr.: P042700) Aufgabe und Material Aufgabe Wie ändert sich das Volumen von Luft bei Erwärmung? Miss die Ausdehnung eines Luftvolumens bei Erwärmung, wenn der Druck konstant bleibt (gleich dem äußeren Luftdruck).

3 Material Position Material Bestellnr. Menge Stativfuß, variabel Stativstange Edelstahl 8/8, l = 250 mm, d = 0 mm Stativstange Edelstahl 8/8, l = 600 mm, d = 0 mm Doppelmuffe Glasrohrhalter mit Maßbandklemme Ring mit Muffe, verzinkt, Innendurchmesser 00 mm Universalklemme, Stellschraube an beweglicher Seite Drahtnetz mit Keramik, 60 x 60 mm Rührstab Glasröhrchen, d = 8 mm, l = 80 mm, 0 Stück Glasröhrchen, d = 8 mm, l = 250 mm, 0 Stück Schülerthermometer, C, l = 230 mm Becher, Polypropylen, niedrige Form, 00 ml Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Erlenmeyerkolben 00 ml, Weithals, SB Gummistopfen 26/32, Bohrung 7 mm Siliconschlauch, Innen-d = 7 mm Maßband, l = 2 m Zusätzliches Material Butanbrenner Labogaz Butan-Kartusche C 206 ohne Ventil, 90 g Glycerin, 99%, 250 ml Streichhölzer Filzschreiber Schere

4 Aufbau und Durchführung Aufbau Achtung!. Schiebe Thermometer oder Glasröhrchen stets immer mit Hilfe von Glycerin in Gummistopfen ein! 2. Zum Füllen des Manometers wird das kleine Becherglas benutzt. Das Wasser lässt sich leichter in den Schlauch einfüllen als in ein Glasröhrchen. Deshalb sollte als Einfüllhilfe ein kleines Schlauchstück auf das Glasrörchen gesetzt werden. 3. Bei Erwärmen des Wassers werden der Stativring und das Drahtnetz sehr heiß! Aufbau Baue den gesamten Versuch nach Abb.-0 auf. Abb. Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4

5 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 0 Baue mit den beiden 250 mm langen Glasröhrchen und einem Stück Schlauch (ca. 50 cm lang) ein U-Rohr-Manometer und spanne es mit unterschiedlich hohen Schenkeln in den Glasrohrhalter.

6 Abb. Abb. 2 Fülle das Manometer mit Hilfe des kleinen Becherglases, bis das Wasser in Schenkel b gerade unterhalb des Glasröhrchens steht (ca. 0,5 cm). Abb. 3 Abb. 4 Schiebe das kleine Glasröhrchen in den Gummistopfen und verschließe den Erlenmeyerkolben sorgfältig mit dem Stopfen.

7 Abb. 5 Abb. 6 Bringe den Erlenmeyerkolben in das 400-ml-Becherglas und befestige ihn mit der Universalklemme, so dass er möglichst tief hineinragt. Abb. 7 Fülle dann das 400 ml Becherglas vollständig mit Wasser. Abb. 8 Verbinde das Glasröhrchen im Stopfen über einen Schlauch (ca. 50 cm lang) mit dem Schenkel a des Manometers.

8 Abb. 9 Durchführung Notiere die Anfangstemperatur ϑ 0 des Wassers im Becherglas in die Tabelle im Protokoll. Bringe die Wasserspiegel im Schenkel aund bauf gleiche Höhe (Druck im Erlenmeyerkolben gleich dem äußeren Luftdruck). Abb. 20 Markiere den Wasserstand in Schenkel amit einem Filzschreiber.

9 Abb. 2 Erwärme das Wasser kurzzeitig (ca.5 s) und entferne den Brenner dann (die Temperatur soll möglichst nur um C steigen). Rühre ca. bis 2 Minuten sorgfältig um, damit die Luft im Erlenmeyerkolben die Temperatur des Wassers annimmt. Abb. 22 Notiere die Wassertemperatur in der Tabelle im Protokoll. Bringe den Wasserstand in beiden Schenkeln des Manometers auf gleiche Höhe (schiebe Schenkel bnach unten). Miss in Schenkel adie Strecke Δ lvon der Markierung bis zum Wasserstand und notiere sie in der Tabelle. Erwärme die Luft schrittweise weiter und ermittle weitere Werte für Δ lin Abhängigkeiten von der Temperatur.

10 Protokoll: Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck Ergebnis - Beobachtungen ( Punkt) Anfangstemperatur ϑ 0 = C.

11 Ergebnis - Tabelle (32 Punkte). Trage deine Messwerte für den Wasserstand Δl ein! 2. Berechne jeweils die Temperaturdifferenz Δϑ = ϑ - ϑ 0 zur Anfangstemperatur ϑ Berechne für den Innendurchmesser d = 0,5 cm die Volumenänderung ΔV = (d/2) 2 π Δl. ϑ in C Δl in cm Δϑ in C ΔV in cm 3 Number ΔV in cm Δϑ in C

12 Auswertung - Frage (0 Punkte) Schaue das Diagramm im Protokoll an. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Volumenänderung und der Temperaturänderung? Auswertung - Zusatzaufgabe ( Punkt) Ermittle das Luftvolumen V 0 im Erlenmeyerkolben (bis zum Stopfen) durch Einfüllen von Wasser (Messzylinder). V 0 = ml. Auswertung - Zusatzaufgabe 2 ( Punkt) Die Ausdehnung von Luft bei konstantem Druck wird durch folgende Formel beschrieben: ΔV = γ V 0 Δϑ. Berechne aus den Messwerten in dem Diagramm den Volumen-Ausdehnungskoeffizienten γ. γ = 0-3 ( C) -. Auswertung - Zusatzaufgabe 3 (2 Punkte) Rechne die Anfangstemperatur ϑ 0 in Kelvin um: T 0 = K und bilde den Quotienten: /T 0 = 0-3 (K) -.

13 Auswertung - Zusatzaufgabe 4 (0 Punkte) Vergleiche das Ergebnis von /T 0 mit γ.