Versuch W4 - Ausdehnung von Luft und Quecksilber. Gruppennummer: lfd. Nummer: Datum:

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1 Ernst-oritz-Arnt Universität reifswa Institut für Pysik ersuc W - Ausenung von Luft un Quecksier Name: itareiter: ruppennummer: f. Nummer: Datum:. Aufgaensteung.. ersucszie Bestimmen Sie ie oumenausenungskoeffizienten von Luft un Quecksier. erscaffen Sie sic Kenntnisse zu fogenen Scwerpunkten es ersuces:.. essungen ieae un reae ase asgesetze oumenausenung von Füssigkeiten un festen Stoffen Funktionsprinzip von as- un Füssigkeitstermometern... essen Sie ie Änerungen eines efinierten Luftvoumens ei konstantem Druck in Aängigkeit von er emperaturänerung unter Beactung von Ascnitt 3... Beginnen Sie ie essung eim maximaen oumen Quecksiertropfen am recten Ene er Kapiare ei ca. C un küen Sie ie Apparatur auf Zimmertemperatur in Scritten von ca. C a. Zur Herasetzung er Haftreiung ist geringfügig gegen as asror zu kopfen.... essen Sie unmittear vor Beginn er Dampfeineitung ie Höe er Quecksiersäuen ezogen auf ie erinungsröre mit einem Linea. Bestimmen Sie ann unter Beactung von Ascnitt 3... ca. ½ Stune nac em Beginn er Dampfeineitung ie emperaturen un in C sowie ie Höenifferenz zwiscen en Quecksiersäuen es U-Rores mit em niveierten Katetometer..3. Auswertungen.3.. Steen Sie ie asausenung f grafisc ar un estimmen Sie auf er runage von. 8 un 9 aus em Anstieg er Regressionsgeraen en kuiscen Ausenungskoeffizienten von Luft PC-Programm LINEARE RERESSION. Scätzen Sie mittes. ie essunsicereit a..3.. Bestimmen Sie en kuiscen Ausenungskoeffizienten von Quecksier nac. 5 un scätzen Sie seine essunsicereit mittes. a... Zusatzaufgae In einer eingescossenen Luftmenge von cm 3 errsct ei einer in C gemessenen emperatur 7 C ein Druck von p Pa. Weces oumen nimmt as as ei konstantem Druck ein, wenn ie emperatur auf C sinkt un wie groß ist as auf Normaeingungen reuzierte oumen es ases?

2 . runagen.. ermisce Ausenung von Stoffen Bei einer Änerung irer emperatur erfaren ae Stoffe eine oumenänerung. Bis auf wenige Ausnamen, z. B. Wasser im emperaturereic von C is C, nimmt as oumen mit er emperatur zu. Der ra er Ausenung ist im Wesenticen von en intermoekuaren Kräften zwiscen en oeküen aängig. Dies fürt zu er Üeregung, ass er Ausenungskoeffizient ei Festkörpern wegen er geringen Distanz er oeküe eine vom ateria aängige röße ist, wären sic ase in weiten Bereicen in er Rege ientisc veraten. Der in iesem ersuc zu ermittene oumenausenungskoeffizient ist ein Kennwert für ie etreffenen Stoffe. Da ie Wärmeausenung nict immer geicmäßig üer ae emperaturereice erfogt, ist jeer Ausenungskoeffizient temperaturaängig un wir esa für eine Bezugstemperatur oer einen emperaturereic angegeen. Im Agemeinen untersceiet man zwiscen em termiscen Längenausenungskoeffizienten α inearer Ausenungskoeffizient oer Wärmeenung un em oumenausenungskoeffizienten kuiscer Ausenungskoeffizient... oumenausenung von Festkörpern, Füssigkeiten un asen Wir einem omogenen un isotropen Körper Wärme zugefürt, so ent er sic in ae 3 Raumrictungen geicmäßig aus. Seine oumenänerung kann ei nict ser großen emperaturänerungen näerungsweise urc eine ineare Bezieung escrieen weren: mit zw. un Ausgangstemperatur. Für en oumenausenungskoeffizienten ergit sic: [ K ]. Die eicungen un geten auc für Füssigkeiten un ase..3. Zustansgeicung von asen Der termisce Zustan eines agescossenen ieaen ases wir urc sein oumen, seinem im Innern errscenen Druck p un er asouten astemperatur escrieen un genügt er Bezieung p const.. 3 Dieser Zusammenang ist auc as Zustansgeicung ieaer ase ekannt: p n R R - universee askonstante, n - Stoffmenge. Damit können verscieene esetze für ieae ase erkärt weren:. esetz von BOYLE un ARIOE isoterme Zustansänerung, const. p p const 5 Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom 8..

3 . esetz von AY-LUSSAC isoare Zustansänerung, p const. const un zw., 3. esetz von AONONS. esetz von AY-LUSSAC, isocore Zustansänerung, const. p p p const. zw. p p 7 Daei sin p un er Druck un as asvoumen ei er asouten emperatur 73,5 K.. 6 entsprict er inearen Aängigkeit von.. Der in. 7 auftretene Spannungskoeffizient ist für ieae ase mit em oumenausenungskoeffizienten in. 6 ientisc. Er eträgt teoretisc 5 K 366, K 73, 5. 8 Die ieaen asgesetze weren nur näerungsweise erfüt, a ie Zustansänerungen reaer ase oft ereic vom eraten ieaer ase aweicen, insesonere urc Pasenüergänge z.b. gasförmig / füssig. Das ist er Fa, wenn ie zwiscen en eicen wirkenen Wecsewirkungskräfte nict mer vernacässigar sin, so ass anere Bezieungen Anwenung finen, z.b. ie Zustansgeicung von van er Waas: a n p n n R 6. 9 Sie erücksictigt ie auftretene Wecsewirkung zwiscen en asmoeküen urc einen inneren Druck un as nict zu vernacässigene Eigenvoumen er oeküe. Die van er Waas Konstanten a Koäsions- oer Binnenruck un Kovoumen ängen von er Art es ases a un weren experimente ermittet. it er eicung können insesonere Zustansänerungen zwiscen gasförmiger un füssiger Pase eines Stoffes erfasst weren. Somit ist zu erwarten, ass er oumenausenungskoeffizient eines reaen ases von em Wert in. 8 aweict... oumenausenung von Füssigkeiten Zur Bestimmung es oumenausenungskoeffizienten einer Füssigkeit kann man zwei kommunizierene Rören mit konstanter Querscnittsfäce A nutzen. In en Rören A. errsct ei er Ausgangstemperatur ein eicgewict aufgrun er ientiscen assen m un yrostatiscen Druckkräfte F. Bei unterscieicer Erwärmung > > änert sic ie Länge jeer Füssigkeitssäue infoge er oumenausenung um zw., woei ie assen unveränert eien s. A.. In er erinungsröre iet sic ein ineares emperaturgefäe aus. In essen itte errsct ie emperatur, Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom 8.. 3

4 Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom 8.. wece auc en emperaturmittewert im orizontaen ei es U-Rores repräsentiert. In iesem Rorascnitt ent sic ie Füssigkeit eenfas um aus un et eie vertikaen Füssigkeitssäuen an. Unter erwenung von A A zw. in. un er eicgewictseingung für ie yrostatiscen Druckkräfte, geten für un ie Bezieungen un mit mit mit A m m g g ρ ρ ρ.. g - Faesceunigung, ρ - temperaturaängige Dicte er Füssigkeit. As Lösung ieses eicungssystems fogt unter ernacässigung von quaratiscen ermen es ser keinen oumenausenungskoeffizienten : wenn <<. Darüer inaus git für ie Ausenung er vertikaen Füssigkeitssäuen: un 3 Für en Höenunterscie zwiscen eien Pegestänen ergit sic ann:. Wir. umgestet, so resutiert mit 5 eine Bestimmungsgeicung für en kuiscen Ausenungskoeffizienten. A. Ausenung er Füssigkeitssäuen ei unterscieicer Erwärmung. A. eicgewict einer Füssigkeit in zwei kommunizierenen Rören.

5 3. Experiment 3.. eräte un ateriaien A. 3 ersucsaufau zur Bestimmung es oumenausenungskoeffizienten von Luft. A. ersucsaufau zur Bestimmung es oumenausenungskoeffizienten von Quecksier. Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom 8.. 5

6 A. 5 Katetometer zur genauen essung er Pegestäne er Füssigkeitssäuen, Das Katetometer ient zur essung von vertikaen Astänen z.b. Füstansöen. Es estet aus einer vertikaen Säue, ie mit einem iimetermaßsta verseen ist. Darauf kann ein Scitten mit einem scwenkaren Fernror, essen optisce Acse orizonta ausgerictet ist, verscoen weren. Das Fernror iet ie Ojekte umgekert a,.. sie ersceinen auf em Kopf. Wie ei einem essscieer trägt er Scitten eine Noniusskaa, um Höenuntersciee auf iimeterructeie aesen zu können. ittes einer riescraue kann eine vertikae Feineinsteung vorgenommen weren. Im esictsfe es Fernrores efinet sic ein Faenkreuz as essmarke. Das Katetometer ist reipunktgeagert. Seine vertikae Ausrictung wir vor er essung mittes reier Stefüße vorgenommen un mit einer Liee kontroiert. 3.. Hinweise zum Experimentieren un Auswerten 3... Ausenung von Luft Der ersucsaufau ist in A. 3 argestet. Zur Bestimmung es Ausenungskoeffizienten von Luft wir as asvoumen in em askoen, an en ie esskapiare angescmozen ist, ei konstantem Druck erwärmt zw. ageküt. Dazu wir as Wassera zunäcst auf ca. C erwärmt un ie oumenänerung zweckmäßigerweise ei faener emperatur gemessen. Der askoen wir ei gescossenem Asperran in as warme Wassera getauct. Es ist auf ein vostäniges Eintaucen zu acten! Der ummistopfen am recten Ene er Kapiare ist wären er essung zu entfernen, amit er Druck konstant eit. Der Quecksiertropfen wir anfangs infoge er Ausenung er eingescossenen Luft reativ scne nac rects gerückt. Sote er sic üer as Ene er Skaierung inausewegen, ist er Han kurzzeitig zu öffnen, amit ein ei er erwärmten Luft entweicen kann. Die essung eginnt, wenn sic er Hg-ropfen ei Aküung es Wasseraes nac inks versciet. Der Aküvorgang kann esceunigt weren, inem man wieerot keine engen katen Wassers zugit un iese gut urcmisct. Durc vorsictiges Kopfen an er Apparatur wir verinert, ass er Hg-ropfen ängen eit. Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom 8.. 6

7 Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom Die emperatur es Wasseraes, ie er emperatur es eingescossenen ases entsprict, wir mit einem ermometer gemessen. Die Änerung es asvoumens in Aängigkeit von er emperatur estimmt man urc essung er waagerecten erscieung es Quecksiertropfens in er Kapiare. Der Quecksiertropfen ient as versciearer Koen un Anzeigemarke. Befinet er sic im Astan von er Numarke er Skaa entfernt, so eträgt as eingescossene asvoumen. 6 Daei sin as oumen es askoens einscießic es Anscussrores zur Kapiare un er Durcmesser er esskapiare. Wät man as Bezugstemperatur ie emperatur eim er essung, so git unter Beactung von. un 6 [ ]. mit 7 Nac einfacer Umformung von.7 fogt für en Astan es Quecksiertropfens: a f. 8 Das eeutet, ass er gesucte oumenausenungskoeffizient aus em Anstieg er inearen Funktion f ermittet weren kann Regressionsgerae. Für git: 3 cm askoen oumen mm esskapiare Durcmesser 3 8 3,, ± ± 9 Die aktueen Werte für un sin am Areitspatz zu kontroieren! Für ie essunsicereit fogt ausgeen von. 8: Ausenung von Quecksier Die ersucsanornung ist in A. argestet. Ein U-Ror aus as ist mit Quecksier gefüt. Der inke Scenke efinet sic in einem mit Luft er emperatur gefüten asror, ie nac inreicener Zeit auc vom Quecksier in iesem Scenke angenommen wir. Der recte Scenke ist mit einem Ror ummantet, urc as Wasserampf geeitet wir. Wenn ange genug Dampf urc as Ror strömt, nimmt as Quecksier im recten Scenke es U-Rores ie emperatur es Dampfes an. Der Wasserampf wir urc einen eeizten Boier erzeugt. Zur Bestimmung er Pegestäne eier Quecksiersäuen stet ein Katetometer A. 5 zur erfügung.

8 Pysikaisces runpraktikum ersuc W Fassung vom Zu Beginn es ersuces ist ie Höe er Quecksiersäue in Bezug auf ie erinungsröre mit einem Linea zu messen. Danac ist ie Heizung in Betrie zu nemen un mit ¾ er aximaeistung Heizstufe 8 zu etreien. Ist er Dampf ca. ½ Stune eingeströmt, so sin anac eie emperaturen un azuesen un ie Differenz er Pegestäne mit em in A. 5 argesteten Katetometer zu estimmen. Aus iesen Werten kann er oumenausenungskoeffizient mittes. 5 erecnet weren. Zur Ermittung er essunsicereit es Ausenungskoeffizienten ist von. 5 auszugeen. Setzt man voraus, ass ie essunsicereiten für eie emperaturen annäern geic sin,.., so git:.. Literatur Lerücer er Experimentapysik, Kap. Kinetisce asteorie, Zustansgeicung, ieaes un reaes as