Fachhochschule Flensburg. Institut für Physik

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1 Name: Fachhochschule Flensburg Fachbereich Technik Institut für Physik Versuch-Nr.: W 2 Bestimmung der Verdampfungswärme von Wasser Gliederung: Seite Einleitung Versuchsaufbau (Beschreibung) Versuchsdurchführung Versuchsaufbau (Skizze) Laborgruppe: Unterschrift des/der Studenten Als Übungsergebnis anerkannt: Flensburg, den Unterschrift des Dozenten

2 flüssig Institut für Physik Versuch : W2 Blatt : 1 Einleitung Die meisten Stoffe können in drei wesentlich verschiedenen physikalischen Zuständen auftreten. Diese Aggregatzustände bezeichnen wir als fest, flüssig und gasförmig. Die Umwandlung der Zustände ineinander erfolgt bei bestimmten Temperaturen und zwar beim Schmelzpunkt vom festen zum flüssigen, beim Siedepunkt vom flüssigen zum gasförmigen. In umgekehrter Richtung erfolgt die Umwandlung bei derselben Temperatur. Der Kondensationspunkt, bei dem Dampf sich verflüssigt, stimmt also mit dem Siedepunkt überein. Das gleiche gilt für den Erstarrungspunkt und den Schmelzpunkt. C 150 Wasserdampf Schmelzen Erstarren Schmelzwärme Wasser Verdampfungswärme 2257 Verdampfen Kondensieren kj kg gasförmig Q in kj Eis fest -50 Bild 1 Wie in Bild 1 veranschaulicht, läßt sich eine Flüssigkeit nicht beliebig hoch erhitzen. Führt man z.b. einer Wassermenge ständig Wärme zu, so steigt die Temperatur der Flüssigkeit fast gleichmäßig bis zum Siedepunkt, bleibt aber dort stehen, bis alles Wasser verdampft ist. Ein in siedendes Wasser gebrachtes Thermometer zeigt also (bei Normal-Luftdruck von 1013 hpa) unverändert 100 C an, obwohl ständig Wärme zugeführt wird. Diese Wärme nennt man Verdampfungswärme; sie dient dazu, die sog. Austrittsarbeit zu leisten, die beim Austritt der verdampfenden Moleküle aus der Flüssigkeit aufgebracht werden muß, sowie zur Vergrößerung des Volumens. So ist z.b. das Volumen von 1 kg Wasser etwa 1 l (schwach abhängig von der Temperatur), während 1 kg Wasserdampf bei 100 C und1013 hpa ein Volumen von 1670 l einnimmt. Führt man nun den umgekehrten Prozeß durch, indem man das Gas wieder verflüssigt, so muß man dafür sorgen,

3 Versuch : W2 Blatt : 2 daß die dabei freiwerdende Energie(sie heißt nun Kondensationswärme und ist dem Betrag nach gleich der Verdampfungswärme) an die Umgebung abgeführt wird. Die Verflüssigung des Gases erfolgt also (ebenso wie das Verdampfen der Flüssigkeit) bei konstanter Temperatur, nämlich bei der Siedetemperatur.Der Unterschied zwischen beiden Prozessen besteht darin, daß beim Verdampfen dem Flüssigkeits-Dampf-System Energie zugeführt wird, während beim Kondensieren diesem System Energie entzogen wird. Diese Energie, die in dem Dampf enthalten ist, nennt man auch latente (verborgene) Wärme. Merksatz: Die Verdampfungswärme r einer Flüssigkeit ist die Wärmemenge, welche nötig ist, um 1 kg der Flüssigkeit bei Siedetemperatur in Dampf von gleichem Druck und gleicher Temperatur zu verwandeln. Einige Siedepunkte t s und Verdampfungswärmen r bei 1013 hpa: Stoff in C r in Quecksilber t s kj kg Wasser Alkohol Äther Benzol Sauerstoff Wasserstoff Die Siedepunkte und damit die Verdampfungswärmen sind nicht konstant, sondern sehr stark vom Druck abhängig. Deshalb beziehen sich die in der Tabelle angegebenen Zahlenwerte auf den Druck von 1013 hpa bzw. 1 atm. Bei höherem Druck liegt der Siedepunkt einer Flüssigkeit höher, bei kleinerem Druck niedriger. So siedet das Wasser unter einem Druck von 0.5 atm bei 87.7 C und unter einem Druck von 2 atm bei C Die Moleküle der Flüssigkeit, die in den gasförmigen Zustand übergegangen sind, erzeugen über der Flüssigkeit einen Druck, den sog. Dampfdruck. Weil bei zunehmender Temperatur immer mehr Moleküle verdampfen, wächst der Dampfdruck mit steigender Temperatur rasch an. Ist er ebenso groß geworden wie der äußere Luftdruck, so kann die Dampfbildung in der gesamten Flüssigkeit einsetzen; sie fängt zu

4 Versuch : W2 Blatt : 3 sieden an. Daher ist der Siedepunkt dadurch gekennzeichnet, daß bei ihm der Dampfdruck gerade ebenso groß ist wie der Druck der umgebenden Atmosphäre. Jedem Druck ist somit eine genaue Siedetemperatur zugeordnet. Man bezeichnet die Werte als Sättigungsdruck p und Sättigungstemperatur T. Merksatz: Der Sättigungsdampfdruck stellt sich ein, wenn sich Flüssigkeit und Dampf in einem geschlossenen Raum im Gleichgewichtszustand befinden. Der Sättigungsdampfdruck ist nur von der Art des Stoffes und von der Temperatur, nicht aber vom Volumen des Behälters abhängig. Der Gleichgewichtszustand ist nur dann vorhanden, wenn im Mittel pro Zeit gleich viele Moleküle aus der Flüssigkeit in den Dampf übergehen, wie aus dem Dampf wieder zurück in die Flüssigkeit tauchen; wenn sich also die Anteile der Flüssigkeit und des Dampfes an der gesamten Substanz nicht gegeneinander verschieben. Vergrößert man das Volumen, so sinkt zunächst der Druck des Gases. Es verdampft dann jedoch soviel Flüssigkeit, bis sich der Sättigungsdampfdruck wieder eingestellt hat. Umgekehrt wird bei Verkleinerung des Volumens der neue Gleichgewichtszustand dadurch erreicht, daß ein Teil des Dampfes kondensiert. Daher ist der Sättigungsdampfdruck nicht vom Volumen abhängig. Trägt man den Sättigungsdampfdruck p und die Temperatur T in einem p/t- Diagramm auf, so erhält man die Spannungskurve. Die Kurve weist einen annähernd exponentiellen Charakter auf und ist unterschiedlich für die verschiedenen Stoffe. p in hpa p=f(t) Spannungskurve Flüssigkeit Dampf T in C

5 Versuch : W2 Blatt : 4 Für Wasser gelten in Abhängigkeit vom Luftdruck folgende Siedepunkte: Versuchsaufbau: p in hpa T in C In Bild 2 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt. Der im Erlenmeyer-kolben erzeugte Dampf strömt durch die Schlauchverbindung in das als Kalorimeter dienende Dewargefäß und gibt bei der Kondensation seine Wärme an das im Dewargefäß befindliche kalte Wasser ab. Versuchsdurchführung: 1. Wägen des Dewargefäßes 1. leer und 2. mit Wasserfüllung zur Ermittlung der Wassermenge m 1 2. Temperatur t 1 der Wassermenge m 1 messen 3. Wasser im Erlenmeyerkolben erhitzen 4. Erst nach Erwärmung des gesamten Dampfweges bis auf Dampftemperatur wird der am Rohrende ausströmende tropfenfreie Dampf in das Dewargefäß geleitet WICHTIG: Um eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten, muß das Wasser ständig umgerührt werden (Temperaturfühler dazu nutzen)! 5. Luftdruck zur Ermittlung der Dampftemperatur t s ablesen 6. Nach Erreichen der gewünschten Mischtemperatur t m (ca C) die Wärmezufuhr abstellen Wichtig: Erst Dampfrohr aus dem Dewargefäß entfernen, dann Hei zung abstellen! 7. Sorgfältige Ermittlung der Mischtemperatur t m nach mehrmaligem Umrühren 8. Wägen des Dewargefäßes zur Ermittlung der kondensierten Dampf menge m Bestimmen Sie die Kondensationswärme X bzw. die zahlengleiche Verdampfungswärme r inkl. Fehlerrechnung nach Gauss.

6 Versuch : W2 Blatt : 5

7 Versuch : W2 Blatt : 6 Zur Auswertung der Versuchsergebnisse: Die vom Dampf abgegebene Wärmemenge muß nach dem Gesetz der Energieerhaltung von dem im Kalorimeter befindlichen Wasser aufgenommen worden sein. Qw = m1 c w (tm -t 1) Die durch den Dampf zugeführte Wärmemenge dient aber nicht ausschließlich der Erwärmung des Wassers, sondern auch das Dewargefäß nimmt eine gewisse Wärmemenge auf. Sie läßt sich über die Wärmekapazität C des Gefäßes berechnen. QD = md c D (tm -t 1) wobei m c = C (Wärmekapazität) D D Zusammengefaßt ergibt sich also Q = Qw + QD Q = (m c + C) (t -t ) 1 w m 1 Diese Wärme ist aus zwei voneinander zu trennenden Vorgängen entstanden: a) aus der freiwerdenden Kondensationswärme der Dampfmenge m 2 Q = X m und a 2 b) aus der Abkühlung des dabei gebildeten Wassers vom Siedepunkt t s auf die Mischungstemperatur t m Qb = cw m 2 (ts -t m) Setzt man diese Formeln gleich, so erhält man (C + m1 c w) (tm - t 1) = X m2 + cw m 2 (ts -t m) Q=Qa + Q b Durch Umstellen der Formel nach der Kondensationswärme X bzw. der zahlengleichen Verdampfungswärme r ergibt sich: X m = ( C+ m c ) ( t -t )-c m ( t -t ) 2 1 w m 1 w 2 s m ( C+ m1 cw) ( tm t1) cw m2 ( ts tm) r = X = m 2

8 Die Verdampfungswärme von Wasser Anlage W2 Anmerkungen : Dieser Vordruck ist von jedem Studenten während der Versuchsdurchführung mit Tinte oder Kugelschreiber auszufüllen. Tragen Sie übersichtlich die gemessenen Werte und die abgeschätzten Meßfehler ein. Diese Vordrucke sind zusammen mit den Laborberichten abzugeben Student Studiengruppe Datum Labor-Ing. Meßwerte: 1 Masse des leeren Kalorimeters g 2 Masse des Kalorimeters mit Wasser g 3 Die daraus ermittelte Wassermenge g m 1 4 Momentaner Luftdruck hpa 5 Siedetemperatur des Wassers C t s m 1 6 Temperatur der Wassermenge C t 1 7 Mischungstemperatur C t m 8 Gesamtmasse nach Beendigung des Versuches g 9 Daraus die Kondensatmenge g m 2 10 Spezifische Wärme des Wassers 11 Wärmekapazität des Kalorimeters Abgeschätzte Meßfehler : c w C J gk J K