Mischen von Flüssigkeiten mit verschiedener Temperatur

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1 V13 Thema: Wärme 1. Einleitung Ob bei der Regelung der Körpertemperatur, dem Heizen des Zimmers oder zahlreichen technischen Prozessen: Der Austausch von Wärme spielt eine wichtige Rolle. In diesem Versuch wird auf die theoretischen Grundlagen der Wärmeübertragung beim Mischen von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Temperatur eingegangen. 2. Grundlagen: Wird einem Medium eine bestimmte Energie zugeführt, so stellt man fest, dass die Temperatur um einen Betrag ΔT steigt, der proportional zur zugeführten Energie ist. Der Temperaturanstieg hängt außerdem vom erwärmten Material sowie von der Masse des erwärmten Mediums ab. Die Wärmemenge Q ist also abhängig von: der Masse des Mediums der spezifischen Wärmekapazität des Mediums der Temperaturdifferenz Q: Wärmemenge [kj] Q = m c ΔT m: Masse des Mediums [kg, g, ] c: spezifische Wärmekapazität [kj/kgk] ΔT: Temperaturdifferenz [K] Werden zwei Stoffe mit unterschiedlicher Temperatur miteinander vermischt, so strömt die Wärme vom Ort der höheren Temperatur zum Ort der niederen Temperatur bis die Temperatur überall ausgeglichen ist. Wird kaltes und warmes Wasser gemischt, so gibt das warme Wasser Wärme an das kalte Wasser ab. Die Gesamtwärmenge bleibt dabei konstant. Das warme Wasser gibt die Wärme ab, das kalte Wasser nimmt die Wärme auf V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 1

2 V-E-019 ΔQ auf = ΔQ ab mit ΔQ auf = m kalt c w (T misch -T kalt ) ΔQ ab = m warm c w (T warm T misch ) Durch Einsetzen ergibt sich m kalt c w (T misch -T kalt ) = m warm c w (T warm T misch ) Die spezifische Wärmekapazität kann dabei herausdividiert werden. m kalt (T misch -T kalt ) = m warm (T warm T misch ) Weiteres Umformen ergibt: m kalt T misch - m kalt T kalt = m warm T warm - m warm T misch m kalt T misch + m warm T misch = m kalt T kalt + m warm T warm T misch (m kal + m warm ) = m kalt T kalt + m warm T warm T misch = V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 2

3 V-E Versuchsdurchführung Material: 2 Meßzylinder (500 ml) 2 Thermometer 1 Thermoskanne Sehr warmes Leitungswasser oder Wasserbad (80 C) Kaltes Wasser (Raumtemperatur) Aufbau: Aufgabenstellung: Untersuche, welche Temperaturen sich beim Mischen von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Temperatur einstellen. Durchführung: Das kalte Wasser wird im Messzylinder vorgelegt und die Temperatur gemessen. Danach wird die Menge warmes Wasser im Messzylinder abgemessen und möglichst zügig in die Thermoskanne gefüllt. In der Thermoskanne wird zuerst die Temperatur des warmen Wassers gemessen. Dann wird das kalte Wasser dazugegeben kurz geschwenkt um möglichst rasch die Mischtemperatur gemessen V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 3

4 V-E-019 Aufgaben: a) Ermittle die Mischtemperatur für folgende Mischungsverhältnisse durch Temperaturmessung und trage die Werte in die Tabelle ein: V kaltes Wasser V warmes Wasser 100 ml 400 ml 200 ml 300 ml 300 ml 200 ml 400 ml 100 ml b) Berechne die Mischtemperatur mit Hilfe der entsprechenden Formeln. c) Vergleiche die gemessene und die errechnete Temperatur. Sollten die Werte nicht identisch sein, überlege, wodurch dieser Fehler zustande kommen könnte. 4. Weiterführende Literatur: Baehr, Hans Dieter; Stephan, Karl; Baehr-Stephan, Wärme- und Stoffübertragung, Springer-Lehrbuch 2004 Hell, Friedrich, Grundlagen der Wärmeübertragung, VDI-Verlag V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 4

5 Lehrerseiten 5. Kurzbeschreibung In diesem Versuch wird auf einige theoretische Grundlagen beim Wärmetausch eingegangen. Diese werden experimentell überprüft. 6. Lernziel Wärmetechnische Grundlagen, experimentelles Arbeiten 7. Versuchsdauer 1 Doppelstunde 8. Beispiellösungen a) Ermittle die Mischtemperatur für folgende Mischungsverhältnisse durch Temperaturmessung und trage die Werte in die Tabelle ein: V warmr T warm V kalt T kalt V misch T misch [ml] [ C] [ml] [ C] [ml] [ C] , , , , , , , , , , , ,0 b) Berechne die Mischtemperatur mit Hilfe der entsprechenden Formeln. c) Vergleiche die gemessene und die errechnete Temperatur. Sollten die Werte nicht identisch sein, überlege, wodurch dieser Fehler zustande kommen könnte. Gemessen T misch [ C] Berechnet T m =(m 1 T 1 +m 2 T 2 )/m misch [ C] 30,5 30,1 38,3 37,8 45,5 45,5 54,0 53,8 Die Fehler ergeben sich in erster Linie daraus, dass tw. Wärme an die Umgebung abgegeben wird oder die exakte Volumenmessung mit den Meßzylindern zu ungenau ist V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 5

6 Lehrerseiten 9. Anmerkungen für projektorientiertes / forschendes Arbeiten 10. FAQ / Tips & Tricks 11. Bezugsquellen 10. Versuchslegende Herausgeber: Technikinitiative NwT Hochschule Furtwangen Furtwangen University Jakob-Kienzle-Str Villingen-Schwenningen technikinitiative-nwt@hs-furtwangen.de Autor: Dipl.-Ing. (FH) Ursula Eschenhagen Erstellt: April V13-Mischungsversuche_Temperatur_ToTest Seite 6