Wärme, unsere wichtigste Energieform.

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1 Kalorik Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH-8400 Winterthur Fax Thermo-Gefäss, 1 Liter PA6100 Wärme, unsere wichtigste Energieform. Themen und Begriffe - Wärmekapazität - Wärmeäquivalent - Mischtemperaturen - Schmelzwärme - Kondensationswärme Das Thermogefäss erlaubt die Themen und Begriffe in klar gegliederten Versuchen zu erarbeiten. Das Thermogefäss besitzt eine doppelte Gefäßwand aus Glas; der Zwischenraum zwischen den Wandungen ist evakuiert, so daß keine Wärmeleitung zwischen Gefäßinnenraum und Umgebung stattfinden kann; eine der Wandungen ist außerdem verspiegelt, so daß auch ein Wärmeübergang durch Wärmestrahlung verhindert wird. Die technische Bezeichnung für wärmeisolierte Behälter nach diesem Prinzip lautet "Dewar-Gefäß". James Dewar ( ) war Professor für Chemie und Experimentalphysik in Cambridge und London. Neben Arbeiten aus der organischen Chemie und der Sprengstoffchemie beschäftigte er sich mit den Möglichkeiten, Gase zu verflüssigen. Im Rahmen dieser Forschungen erfand er das sogenannte "Dewar-Gefäß", welches später von Weinhold verbessert wurde. In diesem Gefäß konnten heiße oder kalte Flüssigkeiten und auch verflüssigte Gase, wie z. B. flüssige Luft bei C, aufbewahrt werden. Technische Daten: - Thermosflasche mit 1 Liter Inhalt; Flaschenhals: Ø = 89 mm - Separater Deckel mit Schlitz und Bohrungen (für Thermometer, Tauchsieder und Rührer) - 1 Rührer mit sehr kleiner Wärmekapazität - Versuchsanleitung Weitere nützliche Geräte für die Versuche: Erwärmung von Flüssigkeiten mit dem Tauchsieder PA7855 (300 W); Messen der zugeführten elektrischen Energie (Wh) mit Energie- und Leistungsmessgerät PA 7760 oder PA ZT0016.doc 1 /10 06/04 MEM1

2 Inhalt 1. Thermo-Gefäss; Aufbau und Zubehör 2. Versuche 2.1. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität 2.2. Energievergleich, elektrisches Wärmeäquivalent 2.3. Bestimmen von Mischtemperaturen 2.4. Bestimmen der Schmelzenergie für Eis 2.5. Bestimmen der Kondensations-Energie von Wasserdampf 1. Thermo-Gefäss, Aufbau und Zubehör Ersatzgefäss: PA6100 ZT0016.DOC 2 / 10 06/04 MEM1

3 2. Versuche 2.1 Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität Die spezifische Wärmekapazität c ist eine Materialkonstante und entspricht diejeniger Wärmeenergie, welche 1 kg eines festen oder flüssigen Stoffes um 1 C erwärmt. Versuch: Wir führen verschiedenen Flüssigkeiten ( Wasser, Spiritus und Petrol) mittels Tauchsieder gleich viel Wärmeenergie (10 Wh) zu und messen die Temperaturerhöhung. Die Flüssigkeitsmengen sind immer gleich gross (480 g). Die zugeführte elektrische Energie messen wir mit einem Energie- und Leistungsmessgerät. Material: 1 PA 6100 Thermo-Gefäss 1l 1 PA 7760 Energie- und Leistungsmessgerät 1 PA 7855 Tauchsieder 220 V, 300 W 1 Waage 1200/0,1 g, elektronisch 1 PA 3437 Becherglas 600 ml 1 PA 3482 Thermometer C 1 PA 7600 Sicherheitsnetzverteiler Zubehör für Temperaturmessung mit Digitalthermometern siehe Versuch 2.2 und 2.5 vor jedem Versuch Leistungsmessgerät (Wh) nullen; gelben Knopf 6 Sekunden drücken Flüssigkeiten jeweils 480 g: - Wasser - Spiritus - Petrol Messwerte: Grössen Wasser Spiritus Petrol Menge 480 g 480 g 480 g Anfangstemperatur 20 C 20 C 20 C Endtemperatur 36 C 49 C 59 C Zugeführte Wärmeenergie 36 (10 Wh) 36 (10 Wh) 36 (10 Wh) Temperaturanstieg 18 C 33 C 44 C 1 Ws = 1J 1 Wh = 3600 Ws = 3,6 ZT0016.DOC 3 / 10 06/04 MEM1

4 Wir stellen fest: Frage: Bei gleicher Energiezufuhr erwärmen sich die verschiedenen Stoffe unterschiedlich. Welche der drei Flüssigkeiten speichert mehr Wärmeenergie? Aus dem Temperaturanstieg der drei Flüssigkeitsmengen errechnen wir die Wärmeenergie, die zur Erwärmung von 1 kg Flüssigkeit um 1 C notwendi g ist. Dieser auf 1 kg umgerechnete Stoffwert heisst spezifische Wärmekapazität c. c = Wasser Spiritus Petrol = 4,16 = 2. 3 = 1, Spezifische Wärmekapazitäten [c] einiger Stoffe: in Wasser 4,18 Beton 0,84 Alkohol 2,42 Eisen 0,45 Aether 2,26 Kupfer 0,39 Petrol 2,14 Gold 0,13 Luft 1,005 Quecksilber 0,14 Glas 0,8 Blei 0,13 - Von allen festen und flüssigen Stoffen hat Wasser die grösste Wärmekapazität! - Die Tabellenwerte beziehen sich auf eine mittlere Temperatur von 20 C. Die Werte sind nämlich temperaturabhängig: z.b. Wasser: c bei 25 C = 4, 19 c bei 100 C = 4, Engergievergleich, elektrische Wärmeäquivalent Ebenso wie die Aequivalenz (Gleichwertigkeit) von mechanischer Energie und Wärmeenergie nachweisbar ist, kann die Aequivalenz von elektrischer Energie und Wärmeenergie nachgewiesen werden. Wir erwärmen mit dem Tauchsieder Wasser, messen die elektrisch zugeführte Energie und vergleichen sie mit der Zunahme der Wärmeenergie des Wassers. Versuch: Wir wägen 480 g Wasser ab, giessen es in das Thermo-Gefäss und messen seine Anfangstemperatur. Dann führen wir dem Wasser stufenweise elektrische Energie (10; 20; 40 Wh) zu und messen nachher die Temperaturdifferenz. ZT0016.DOC 4 / 10 06/04 MEM1

5 Material: 1 PA 6100 Thermo-Gefäss 1l 1 PA 7760 Energie- u. Leistungsmessgerät 1 PA 7600 Sicherheitsnetzverteiler 1 Waage 1200/0,1 g, elektronisch 1 PA 7855 Tauchsieder 230 V, 300 W 1 PA 7475 Demomultimeter digital oder ein Temperaturmessgerät; digital, 2-Kanal 1 PA 6211 Drahtsonde Typ K Messwerte: Grössen Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Menge 480 g 480 g 480 g Anfangstemperatur 20 C 20 C 20 C Zugeführte elektr. Energie 10 Wh 20 Wh 40 Wh Endtemperatur 36,5 C 53 C 85 C Temperaturzunahme 16,5 C 33 C 65 C Wir berechnen die Temperaturzunahme pro Wh ϑ = C / Wh. Wh Versuch 1 Versuch 2 Versuch = 1,65 C /Wh = 1,65 C / Wh = 1,65 C / Wh Bei gleicher Stoffmenge wächst die Temperatur und damit auch die Wärmeenergie proportional zur zugeführten elektrischen Energie. ZT0016.DOC 5 / 10 06/04 MEM1

6 Energievergleich (mit Versuchswerten) Wärmeenergie (J) elektrische Energie (Ws) m c ϑ P * t 0,48 kg * 4,18 * 65 C= 130, Wh bzw. 130'416 J 144'000 Ws mit den Versuchswerten ergibt sich 1 J=1,1 Ws nach Tabellenbuch gilt für elektrische Wärmeäquivalent: 1 J = 1 WS 2.3 Bestimmen von Mischtemperaturen Wenn zwei Stoffe unterschiedlicher Temperatur sich berühren, erfolgt zwischen ihnen ein Wärmeaustausch. Der wärmere Stoff gibt Wärmeenergie ab, der kältere Stoff nimmt dieselbe auf. Es stellt sich eine sogenannte Mischtemperatur ein. Mischregel: Abgegebene Wärmemenge = Aufgenommene Wärmemenge Versuch: Wir wägen 600 g Wasser ab und erwärmen es im isolierenden Thermo-Gefäss auf ca. 70 C, entfernen den Tauchsieder und messen die genaue Temperatur. Nachher wägen wir 300 g kaltes Wasser (ca. 20 C) ab, messen ebenfalls desse genau e Temperatur und giessen es zum erhitzten Wasser. Die ganze Wassermenge kurz rühren, dann die Mischtemperatur messen. Material: 1 PA 6100 Thermo-Gefäss 1l 1 PA 7855 Tauchsieder 230 V / 300W 1 PA 1026 Waage 1200/0,1g, elektronisch 1 PA 3482 Thermometer C 1 PA 3437 Becherglas 600ml Messwerte: Grösse Wassermenge 1 Wassermenge 2 Menge m 1 = 600 g m 2 = 300 g Temperatur t 1 = 70,5 C t 2 = 19,5 C Mischtemperatur t m = 53 C ZT0016.DOC 6 / 10 06/04 MEM1

7 Mischtemperatur rechnerisch ermitteln: Es gilt c 1= c2 Abgegebene Wärmeenergie = Aufgenommenen Wärmeenergie m 1 c1 ϑ = m 2 c2 ϑ m1 ( t1 tm) = m2 ( tm t2) 600 g (70,5 C tm) = 300g (tm 19,5 C) 2 (70,5 C tm) = 1 (tm 19,5 C) 141 C 2 tm = tm 19,5 C - 3 tm = -160,5 C tm = 53,5 C 2.4 Bestimmen der Schmelzenergie für Eis Wollen wir einen Stoff vom festen in den flüssigen Aggregatszustand bringen (schmelzen), so müssen wir Wärmeenergie (Schmelzenergie) zuführen. Die Schmelzenergien sind je nach Stoff unterschiedlich. Wir bestimmen diese für Eis. Versuch: Ca. 300 g Wasser genau wägen und in das Thermo-Gefäss giessen. Mit dem Tauchsieder das Wasser auf ca. 50 C erwärmen, seine Endtemperatur genau erfassen. Den Tauchsieder aus dem Thermo-Gefäss entfernen. Dann ca. 50 g abgetrocknete Eiswürfel genau wägen und in das erwärmte Wasser legen, warten bis das Eis vollständig geschmolzen ist. Durch 2 3 Bewegungen mit dem Rührer das Wasser mischen, darauf die Mischtemperatur messen und den Wert in die Tabelle eintragen. Material: 1 PA 6100 Thermo-Gefäss 1l 1 PA 7855 Tauchsieder 230 V, 300W 1 PA 3482 Thermometer C Messwerte: Grössen Wasser Eis Masse in kg 0,29 0,049 Wassertemperatur vor Eiszugabe 49 C 0 C Temp. nach Schmelzen des Eises 31 C Temp. - Zunahme für das Eis 31 C Temp. - Abnahme für das Wasser 18 C ZT0016.DOC 7 / 10 06/04 MEM1

8 Berechnungen spezifische Wärmekapazität c von Wasser = 4,19 Wärmemengen Q = m c ϑ a) Das Wasser kühlt sich um 18 C ab, dies entspric ht einer Wärmemenge von kg 18 C = 21.9 b) Das Schmelzwasser des Eises (0 C) wird auf 31 C erwärmt. Dies entspricht einer Wärmemenge von kg 31 C = 6.36 c) Die Energie-Differenz entspricht der Schmelzenergie für 50 g Eis = kg d) Schmelzenergie umgerechnet auf 1 kg Eis = kg spezifische Schmelzenergie Q von Eis nach Tabellenbuch = Nachweis der Kondensations-Energie (Verdampfungswärme) Mit der Verdampfungsenergie wird der Aggregatszustand eines Stoffes von flüssig in gasförmig (dampfförmig) geändert. Wird rückläufig wieder verflüssigt bzw. kondensiert, dann wird die gleiche Wärmemenge wieder an die Umgebung freigegeben. Diese Wärmeenergie wird als Kondensationsenergie bezeichnet. Ebenso wie beim Schmelzen stellt man beim Verdampfen verschiedener Stoffe fest, dass für gleiche Stoffmengen verschieden grosse Wärmemengen erforderlich sind. Verdampfungs- bzw. Kondensationsenergie sind Stoffkonstanten Versuch: Wir lassen während ca. 1 Minute Wasser-Dampf von 100 C in eine genaue gewogene Menge von 400 g Wasser fliessen und kondensieren. Die freiwerdende Kondensationsenergie wird an das Wasser abgegeben. Anschliessend bestimmen wir die neue Endtemperatur des Wassers (zuvor kurz umrühren) und wägen die Gewichtszunahme des Wassers. Den Dampf erzeugen wir mit 2 3 dl Wasser im Dampfkochtopf. Die Temperatur des Dampfes liegt sobald der Dampf den Kochtopf verlässt (Umgebungsdruck) zwischen 99 und 100 C. D a die Zunahme der Wassermenge genau bestimmt werden muss, wird der Versuch direkt auf der Waage durchgeführt. ZT0016.DOC 8 / 10 06/04 MEM1

9 Material: 1 PA 6100 Thermo-Gefäss 1l 1 PA 3035 Silikonschlauch D = 6 / 9 mm 1 PA 6211 Drahtsonde Typ K 1 Temp. Messgerät; digital, 2 Kanal 1 PA 6226 Dampfkochtopf für Demonstration 1 Waage 1200/0,1 g, elektronisch 1 PA 6028 Dreibein 240 mm hoch mit Butan-Gasbrenner oder mobile Kochplatte Heizplatte Waage Hinweis: Silikonschlauch möglichtst kurz halten, um eine zu starke Abkühlung des Wasser-Dampfes zu verhindern. Messwerte: Grösse Wasser Dampfwasser Masse in kg 0,43 0,042 Temperatur vor der Dampfzufuhr 23 C 99 C Mischtemperatur nach der Dampfzufuhr 74 C 74 C Temperaturzunahme des Wassers 51 C Temperaturabnahme des Dampfwassers 23 C spezifische Wärmekapazität c von Wasser = 4,19 Wärmemengen Q = m c ϑ ZT0016.DOC 9 / 10 06/04 MEM1

10 Wärme-Energie-Bilanz: Aufgen. Wärme-Energie des Wassers = kg 51 C = 91.8 Abgeg. Wärme-Energie des Dampfwassers = kg 25 C = 4,4 Wärme-Energie-Differenz = 87.4 Das Wasser enthält 87,4 mehr Wärmee-Energie als das Dampfwasser abgeben konnte. Die Differenz entspricht der Kondensations-Energie, die im Dampf gespeichert war. Spezifische Kondensationswärme von Wasserdampf, (auf ein Kilogramm gerechnet) kg = 2080 kg für Wasser nach Tabellenbuch bei einem Druck von 1,01235 bar = 2258 kg ZT0016.DOC 10 / 10 06/04 MEM1