Physikalisches Praktikum W2 Spezifische Wärmekapazität

Physik-Labor
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Fachbereich Mechatronik und Maschinenbau
Physikalisches Praktikum
W2
Spezifische Wärmekapazität
Versuchsziel
Es soll die spezifische Wärmekapazität des Wassers über das mechanische und das
elektrische Wärmeäquivalent bestimmt werden.
Die Geräte sind: Kupferkalorimeter, Grundgerät (mech. Wärmeäquivalent) mit Zähler,
Kunststoffreibband, 5 kg Gewicht, Kalorimeter mit Heizspirale, Netzgerät, Voltmeter,
Amperemeter, Thermometer, Waage, Stoppuhr, Messschieber
Literatur
Höfling
Halliday / Resnick
Tipler
Physik, Band 1
Physik, Band 1
Physik
Grundlagen
1. Begriffe und Größen
(werden als bekannt vorausgesetzt)
Kalorimeter, Stoffmenge, Masse, Temperatur, Wärmemenge, Arbeit, Energie
2. Wärmekapazität
Wird einem Körper (Stoffmenge) eine Wärmemenge ∆Q oder auch eine andere Energie
zugeführt oder entzogen, ändert sich seine Temperatur immer dann um ∆T , wenn der
Körper keine Änderung der Kristallform oder des Aggregatzustandes erfährt. Es gilt
(1)
∆Q ~ ∆T
und
(2)
∆Q = C ⋅ ∆T
mit C der Wärmekapazität des Stoffes
bzw. des Körpers. Handelt es sich bei dem betreffenden Körper um ein Kalorimeter,
wird C auch Kalorimeterkonstante genannt. Die Einheit ist
[C] =
J
°C
1
3. Spezifische Wärmekapazität
Bei einem einheitlichen Material ist die Wärmekapazität proportional zur Masse , d.h.
(3)
C=c·m
(4)
c=
und damit
∆Q
∆T ⋅ m
Dies ist die spezifische Wärmekapazität eines Materials. Die Einheit ist
[c ] =
J
°C ⋅ kg
c ist für Wasser im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 °C nahezu konstant,
kann aber für andere Stoffe stark temperaturabhängig sein.
4. Energieerhaltung
Nach dem Energieerhaltungssatz ist es unmöglich Energie zu erzeugen, es kann
lediglich eine Energieart in eine andere umgewandelt werden.
Dies bedeutet, dass einem Körper zugeführte mechanische oder elektrische Energie
eine Temperaturerhöhung dieses Körpers bewirkt. Es muss nur dafür gesorgt werden,
dass die zugeführte Energie vollständig im Körper bleibt. Dies bedeutet auch, dass in
Gleichung (4) die Wärmemenge ∆Q durch mechanische oder elektrische Energie
ersetzt werden kann. Anhand der spezifischen Wärmekapazität des Wassers lässt sich
dieser Zusammenhang nachweisen.
Aufgabe
1.
2.
3.
Es soll die spezifische Wärmekapazität des Wassers durch Zuführung
mechanischer Energie bestimmt werden (mechanisches Wärmeäquivalent).
Ebenso soll die spezifische Wärmekapazität des Wassers durch Zuführung
elektrischer Energie bestimmt werden (elektrisches Wärmeäquivalent).
Für beide Messungen wird ∈ c berechnet. Die ermittelten c – Werte werden mit
dem Literaturwert verglichen.
Durchführung und Auswertung
1. Durch Wiegen des leeren und des mit Wasser gefüllten Kupferkalorimeters werden
die für die Berechnung notwendigen Massewerte bestimmt. Durch die lose Kappe des
Kupferkalorimeters wird das Thermometer geschoben und per Handdruck festgezogen.
Um die Messung zu optimieren sollte die Temperatur des Wassers ca. 2 °C unter der
Raumtemperatur liegen.
2
Nach dem Einsetzen des
Kupferkalorimeters in das Kurbelgerät
wird das Band mit einem Ende an den
„Zähnen“ vor dem Zähler befestigt,
dreimal um das Kupfergefäß gewickelt
und am freien Ende das 5kg – Gewicht
angehängt.
Durch Drehen der Kurbel entsteht
Reibungswärme analog zur Reibungskraft, die der Gewichtskraft entspricht.
Bei N Umdrehungen ist
∆Q = N ⋅ 2π ⋅ r ⋅ F
(5)
c=
und
N ⋅ 2π ⋅ r ⋅ F c 2 ⋅ m 2
−
m1 ⋅ ∆T
m1
Wobei m1 die Masse des Wassers und m2 die Masse des Kupfers ist. ΔT sollte
ca. 4°C betragen. Die spezifische Wärmekapazität des Kupfers ist c2 = 385 J / kg°C .
2. Zur Messung des elektrischen Wärmeäquivalents wird das graue Kalorimeter mit
ca. 350 ml Leitungswasser gefüllt und durch Differenzwägung die Masse bestimmt. Mit
dem Netzgerät, dem Voltmeter und dem Amperemeter wird eine Schaltung für 10 V~
aufgebaut.
Bevor die Spannung eingeschaltet wird, muss die Temperatur des Wassers abgelesen
werden zur Bestimmung von ΔT . Dann wird die Spannung auf 10 V eingestellt und der
Strom abgelesen. Sollte die Spannung nicht stabil bleiben, einfach nachregeln. Nach
einer Zeitspanne von Δt = 4 min wird die Messung beendet.
Die von der Heizspirale verbrauchte elektrische Energie wird zur Erwärmung von
Wasser und Kalorimeter gebraucht, so dass gilt
ΔQ = U ∙ I ∙ Δt = c · m ∙ ΔT + K ∙ ΔT
mit ΔT = T2 – T1 folgt für c
(6)
c=
U ⋅ I ⋅ ∆t
K
−
m ⋅ (T2 − T1 ) m
K ist die Kalorimeterkonstante, die auf dem Boden des Gefäßes steht.
3
Fragen
1.
2.
3.
(zur Versuchsvorbereitung)
Wie ist ein Kalorimeter aufgebaut?
Was versteht man unter Temperatur?
Was versteht man unter Wärmemenge?
4