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spezifische_waerme [2009/10/02 09:38] – hatter | spezifische_waerme [2009/10/02 10:01] – hatter |
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Das heißt nun wieder: Könnte man einen Menschen völlig wärmeisoliert lagern, so müsste ihn sein Grundumsatz mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 //K/h// aufheizen. Schneller kann Fieber aus rein wärmetechnischen Gründen nicht steigen.** | Das heißt nun wieder: Könnte man einen Menschen völlig wärmeisoliert lagern, so müsste ihn sein Grundumsatz mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 //K/h// aufheizen. Schneller kann Fieber aus rein wärmetechnischen Gründen nicht steigen.** |
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Bezieht man die Wärmekapazität auf die Stoffmenge (molare Wärmekapazität) bzw. auf die Teilchenzahl, so zeigen sich für bestimmte Materieklassen (z.B. Gase oder Metalle) übereinstimmende Werte. Daraus folgt, dass die Wärmekapazität bzw. die innere Energie mit dem Teilchencharakter und der Struktur der Materie zusammenhängt. Besonders deutlich wird dies beim Verständnis der Gase mit Hilfe eines mechanischen Teilchenmodells (kinetische Gastheorie).\\ | Bezieht man die Wärmekapazität auf die Stoffmenge (molare Wärmekapazität) bzw. auf die Teilchenzahl, so zeigen sich für bestimmte Materieklassen (z.B. Gase oder Metalle) übereinstimmende Werte. Daraus folgt, dass die Wärmekapazität bzw. die innere Energie mit dem Teilchencharakter und der Struktur der Materie zusammenhängt. Besonders deutlich wird dies beim Verständnis der Gase mit Hilfe eines mechanischen Teilchenmodells (kinetische Gastheorie). |
Die spezifischen bzw. molaren Wärmekapazitäten sind im Allgemeinen nicht konstant, sondern von der Temperatur abhängig. Die Abhängigkeit ist bei tiefen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) besonders stark, woraus Rückschlüsse auf den Quantencharakter der Materie gezogen werden können. Beim vorliegenden Versuch kann jedoch innerhalb der kleinen beobachteten Temperaturintervalle und wegen der relativ hohen Temperatur (Zimmertemperatur) die spezifische Wärme als konstant betrachtet werden. | Die spezifischen bzw. molaren Wärmekapazitäten sind im Allgemeinen nicht konstant, sondern von der Temperatur abhängig. Die Abhängigkeit ist bei tiefen Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) besonders stark, woraus Rückschlüsse auf den Quantencharakter der Materie gezogen werden können. Beim vorliegenden Versuch kann jedoch innerhalb der kleinen beobachteten Temperaturintervalle und wegen der relativ hohen Temperatur (Zimmertemperatur) die spezifische Wärme als konstant betrachtet werden. |
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==== Temperaturausgleich ==== | ==== Temperaturausgleich ==== |
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Bringt man zwei Körper unterschiedlicher Temperaturen $T_1$ und $T_2$ in thermischen Kontakt miteinander, so findet ein Wärmeaustausch statt, bis sich eine gemeinsame (Misch-) Temperatur Tm eingestellt hat. Wegen der Energieerhaltung muss dabei die Wärme, die der heiße-re Körper abgibt, gleich der Wärme sein, die der kältere Körper aufnimmt: | Bringt man zwei Körper unterschiedlicher Temperaturen <m>T_1</m> und <m>T_2</m> in thermischen Kontakt miteinander, so findet ein Wärmeaustausch statt, bis sich eine gemeinsame (Misch-) Temperatur <m>T_m</m> eingestellt hat. Wegen der Energieerhaltung muss dabei die Wärme, die der heißere Körper abgibt, gleich der Wärme sein, die der kältere Körper aufnimmt: |
(2) . | |
Schmelzwärme, Verdampfungswärme | <m> |
Die auseinanderstrebende Wärmebewegung der Teil-chen und die anziehenden Bindungskräfte sind gegen-läufige Tendenzen, deren Verhältnis zueinander den Bindungszustand der Materie bestimmt, z.B. die Aggre-gatzustände (fest, flüssig, gasförmig), aber auch feinere Differenzierungen, wie unterschiedliche kristalline Struk-turen (Graphit/Diamant, Modifikationen des Zinns usw.). Diese unterschiedlichen physikalischen Zustände eines chemisch einheitlichen Stoffes werden als Phasen und Zustandsumwandlungen als Phasenübergänge be-zeichnet. | (2) c_1 m_1 (T_m-T_1) = c_2 m_2 (T_2-T_m) |
Zufuhr oder Abgabe von Wärme führt an Phasenüber-gängen zu einer Änderung der Phase. Dabei bleibt die Temperatur solange konstant, bis die gesamte Stoff-menge in die andere Phase übergegangen ist. Aufge-nommene Wärmeenergie wird z.B. benötigt, um Arbeit gegen die strukturellen Bindungskräfte der Materie zu verrichten; d.h. bei einem Schmelzvorgang die Kristall-struktur aufzubrechen oder bei der Verdampfung den Abstand zwischen den Molekülen genügend zu vergrö-ßern. Die zur Umwandlung benötigte Wärme bezeich-net man als Umwandlungswärme oder latente Wärme (z.B. Schmelzwärme, Verdampfungswärme); die mas-senbezogenen Umwandlungswärmen werden spezifi-sche Umwandlungswärmen genannt, die stoffmengen-bezogenen molare Umwandlungswärmen. | </m> . |
Versuchsdurchführung | |
Für die Messungen wird ein Kalorimeter benutzt, ein thermisch isoliertes Gefäß, in dem Wärmeaustausch- oder Wärmezufuhrvorgänge unter Messung der Tempe-ratur durchgeführt werden können (siehe Abb. 1). Zur Temperaturmessung sind elektrische Digitalthermome-ter (Auflösungsvermögen 0,1 K) vorhanden. Die Mas-sen der verwendeten Wassermengen werden durch Wägung des leeren und des jeweils gefüllten Kalorime-ters bestimmt. Eis ist in einer Kühlbox im Versuchsraum vorhanden. | ==== Schmelzwärme, Verdampfungswärme ==== |
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| Die auseinanderstrebende Wärmebewegung der Teilchen und die anziehenden Bindungskräfte sind gegenläufige Tendenzen, deren Verhältnis zueinander den Bindungszustand der Materie bestimmt, z.B. die //Aggregatzustände// (fest, flüssig, gasförmig), aber auch feinere Differenzierungen, wie unterschiedliche kristalline Strukturen (Graphit/Diamant, Modifikationen des Zinns usw.). Diese unterschiedlichen physikalischen Zustände eines chemisch einheitlichen Stoffes werden als Phasen und Zustandsumwandlungen als Phasenübergänge bezeichnet. |
| Zufuhr oder Abgabe von Wärme führt an Phasenübergängen zu einer Änderung der Phase. Dabei bleibt die Temperatur solange konstant, bis die gesamte Stoffmenge in die andere Phase übergegangen ist. Aufgenommene Wärmeenergie wird z.B. benötigt, um Arbeit gegen die strukturellen Bindungskräfte der Materie zu verrichten; d.h. bei einem Schmelzvorgang die Kristallstruktur aufzubrechen oder bei der Verdampfung den Abstand zwischen den Molekülen genügend zu vergrößern. Die zur Umwandlung benötigte Wärme bezeichnet man als //Umwandlungswärme// oder //latente Wärme// (z.B. Schmelzwärme, Verdampfungswärme); die massenbezogenen Umwandlungswärmen werden //spezifische Umwandlungswärmen// genannt, die stoffmengenbezogenen //molare Umwandlungswärmen//. |
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| ===== Versuchsdurchführung ===== |
| Für die Messungen wird ein //Kalorimeter// benutzt, ein thermisch isoliertes Gefäß, in dem Wärmeaustausch- oder Wärmezufuhrvorgänge unter Messung der Temperatur durchgeführt werden können (siehe Abb. 1). Zur Temperaturmessung sind elektrische Digitalthermometer (Auflösungsvermögen 0,1 //K//) vorhanden. Die Massen der verwendeten Wassermengen werden durch Wägung des leeren und des jeweils gefüllten Kalorimeters bestimmt. Eis ist in einer Kühlbox im Versuchsraum vorhanden. |
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| Hier Bild einfügen |
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| Abb. 1: Kalorimeter mit Heizwendel und Thermometer |
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| ==== Zu Aufgabe 1 ==== |
| (Vorversuch zum Wasseräquivalent) |
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| Da das Kalorimeter an allen Austauschprozessen beteiligt ist, muss dessen Wärmekapazität berücksichtigt und in einem Vorversuch ermittelt werden. Dazu wird kaltes Wasser (<m>m_W \approx 300 g, T_1 \approx 0 °C</m>) in das leere, auf Zimmertemperatur <m>T_R</m> befindliche Kalorimeter gefüllt. Aus der Temperaturerhöhung des Wassers auf den Wert <m>T_m</m> kann entsprechend //(2)// auf die Wärmekapazität des Kalorimeters <m>C_K</m> geschlossen werden: |
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| (3) C_K (T_R-T_m) = c_W m_W (T_m-T_1) |
| </m> |
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| Da die spezifische Wärme <m>c_W</m> des Wassers zunächst nicht bekannt ist, berechnet man das Verhältnis <m>C_K/c_W = m_Ä</m>. Dieser Wert repräsentiert die Masse einer fiktiven Menge Wasser, die die gleiche Wärmekapazität wie das Kalorimeter besitzt; sie wird Wasseräquivalent des Kalorimeters genannt. Diese Größe lässt sich in den folgenden Messgleichungen einfach verwenden, indem man sie bei der jeweiligen Massenbilanz berücksichtigt |
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| (4) m = m_W + m_Ä |
| </m> |
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| ====Zu Aufgabe 2 (Spezifische Wärme von Wasser) ==== |
| Es wird die noch im Kalorimeter befindliche Wasserprobe vom Vorversuch benutzt. Durch eine kleine elektrische Heizung kann der Wasserprobe eine bestimmte Wärmemenge <m>\Delta Q</m> zugeführt werden. Für die Umwandlung elektrischer in thermische Energie (Joulesche Wärme, siehe Versuch GLEICHSTROM/WECHSELSTROM) gilt im Zeitintervall <m>\Delta t</m>: |
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| (5) \Delta Q = U I \Delta t |
| </m> |
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| wobei //I// die Stromstärke und //U// die Spannung am Widerstand ist. Die Temperaturerhöhung soll aus Genauigkeitsgründen mindestens 10 //K// betragen. Anfangs- und Endtemperatur sollen symmetrisch zur Zimmertemperatur liegen um systematische Fehler durch Wärmeaustausch mit der Umgebung wegen unzureichender thermischer Isolation des Kalorimeters möglichst gering zu halten. |
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| ==== Zu Aufgabe 3 (Schmelzwärme) ==== |
| Die Schmelzwärme wird aus der Abkühlung bestimmt, die schmelzendes Eis bei einer Wasserprobe verursacht. Bei Aufstellung der Messgleichung müssen drei Anteile am Wärmeaustausch berücksichtigt werden: für das Eis die Aufnahme der Schmelzwärme und die anschließende Aufwärmung von <m>T_0 = 273,15 K (= 0 °C)</m> auf die Mischtemperatur <m>T_m</m> und für die Wasserprobe die Abkühlung auf die Mischtemperatur. |
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| Als Wasserprobe wird wieder das noch im Kalorimeter befindliche warme Wasser aus dem Heizversuch benutzt. Die Eismasse sollte etwa 50 //g// betragen (zwei große Würfel). Das Eis aus der Kühlbox muss eine Weile in einem Wasserbad gehalten werden, um die Temperatur 0 //°C// anzunehmen. |
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