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spezifische_waerme

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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. 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.+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//.
  
 ===== Versuchsdurchführung ===== ===== 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.+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. 
 + 
 +Hier Bild einfügen 
 + 
 +Abb. 1: Kalorimeter mit Heizwendel und Thermometer 
 + 
 +==== Zu Aufgabe 1 ==== 
 +(Vorversuch zum Wasseräquivalent) 
 + 
 +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:  
 + 
 +<m> 
 +(3)  C_K (T_R-T_m) = c_W m_W (T_m-T_1) 
 +</m> 
 + 
 +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 
 + 
 +<m> 
 +(4)  m = m_W + m_Ä 
 +</m> 
 + 
 +====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>: 
 + 
 +<m> 
 +(5)  \Delta Q = U I \Delta t 
 +</m> 
 + 
 +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. 
 + 
 +==== 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. 
 + 
 +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. 
 + 
 +===== Literaturwerte ===== 
 +Spezifische Wärmekapazität von Wasser bei 20 //°C//: 
 + 
 +<latex> 
 + c_W = 4,1818 \frac{kJ}{kg K} 
 +</latex>\\ 
 + 
 +Spezifische Schmelzwärme von Wasser:  
 + 
 +<latex> 
 +\Gamma_E = 333,7 \frac{kJ}{kg} 
 +</latex>\\ 
 + 
 +Spezifische Verdampfungswärme von Wasser bei p = 1,0132 //bar// und T = 373,15 //K//  
 + 
 +<latex> 
 +\Gamma_{V1} = 2255,5 \frac{kJ}{kg} 
 +</latex>\\ 
 + 
 +Spezifische Verdampfungswärme von Wasser bei p = 1,0132 //bar// und T = 273,15 //K// 
 + 
 +<latex> 
 +\Gamma_{V2} =2500,5\frac{kJ}{kg} 
 +</latex> \\ 
 + 
 +(Quelle: KOHLRAUSCH; Praktische Physik 3; p.43 B.G.Teubner Stuttgart). 
  
spezifische_waerme.1254476718.txt.gz · Last modified: 2009/10/02 09:45 by hatter

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