P2.4.1.2 Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme
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LD Handblätter Physik Kalorik Phasenübergänge Schmelz- und Verdampfungswärme P2.4.1.2 Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme von Eis Versuchsziele Messung der Mischungstemperatur qM von Eis und Wasser. Berechnung der spezifischen Schmelzwärme von Eis. Grundlagen Wird einer Substanz bei konstantem Druck Wärme zugeführt, erhöht sich im allgemeinen ihre Temperatur. Bei einem Phasenübergang in der Substanz steigt die Temperatur jedoch nicht, da die zugeführte Wärme zur Phasenumwandlung benötigt wird. Sobald die Phasenumwandlung abgeschlossen ist, steigt bei weiterer Wärmezufuhr die Temperatur wieder an. Ein bekanntes Beispiel für einen solchen Phasenübergang ist das Schmelzen von Eis zu Wasser. Die pro Masseneinheit benötigte Wärmemenge wird als spezifische Schmelzwärme QS bezeichnet. auf die Mischungstemperatur qm erwärmt wird. Man misst zusätzlich die Anfangstemperatur q2 und die Masse m2 des warmen Wassers, sowie die Masse m1 des Eises und berechnet die Schmelzwärme wie folgt: Die vom Eis aufgenommene Wärmemenge setzt sich zusammen aus der Wärmemenge DQ1 = c ⋅ m1 ⋅ (qM − 08C) c: spezifische Wärmekapazität von Wasser die das geschmolzene Wasser beim Erwärmen von q1 < 0 8C bis zur Temperatur qM aufnimmt, und der Wärmemenge, Zur Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme QS von Eis wird im Versuch reines Eis in ein Kalorimeter gefüllt. Dort kühlt es warmes Wasser auf die Mischungstemperatur qm ab und schmilzt unter Aufnahme der Schmelzwärme zu Wasser, das DQ2 = m1 ⋅ QS (II), die beim Schmelzen von Eis zu Wasser aufgenommen wird. Durch die Beimischung von Eis wird dem warmen Wasser die Wärmemenge Versuchsaufbau zur Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme von Eis. links: Temperaturmessung mit dem Thermometer rechts: Temperaturmessung mit dem Thermoelement DQ3 = c ⋅ m2(q2 − qM) (III) entzogen. Gleichzeitig gibt auch das Kalorimeter Wärme ab. 0110-Sel Fig. 1 (I), 1 LD Handblätter Physik P2.4.1.2 Durchführung – Leermasse des Dewargefäßes ablesen. – Wasser im Kunststoffbecher mit Sicherheitstauchsieder Geräte 1 Dewargefäß . . . . . . . . . . . . . . . . 386 48 1 Schul-Laborwaage 610 Tara, 610 g . . . 315 23 1 Thermometer, −108 bis + 110 8C . . . . . oder 1 Temperaturfühler NiCr-Ni . . . . . . . . . 1 Digitales Temperaturmessgerät . . . . . 382 34 666 193 666 190 1 Sicherheitstauchsieder . . . . . . . . . . 1 Becherglas, 400 ml, n.F., Hartglas . . . . 1 Kunststoffbecher, 1000 ml . . . . . . . . 303 25 664 104 590 06 auf 40 8C bis 50 8C erwärmen. – Dewargefäß mit ca. 200 g Wasser füllen und dessen Masse m2 sowie Temperatur q2 bestimmen (umrühren). – 50 g „trockene“ Eisstücke in das warme Wasser geben. – Wasser bis zum völligen Schmelzen des Eises umrühren und die Temperatur qM ablesen Messbeispiel zusätzlich: Masse m2 des warmen Wassers: ca. 100 g Eiswürfel Temperatur q2 des warmen Wassers: Sie kann berechnet werden, da der Wasserwert mK des Kalorimeters bekannt ist: DQ4 = c ⋅ mK(q2 − qM) mit mK = 20 g (IV) Aufgenommene Wärme DQ1 + DQ2 und abgegebene Wärme DQ3 + DQ4 stimmen überein; daher ist QS (m2 + mK) = ⋅ (q2 − qM) − (qM − 08C) m1 c (V) 251 g Mischungstemperatur qM des abgekühlten Wassers: 23,0 8C Auswertung und Ergebnis m1 = 251 g – 200 g = 51 g m2 = 200 g q2 = 45,8 8C qM = 23,0 8C Wasserwert des Dewargefäßes: mK = 20 g spezifische Wärmekapazität von Wasser: c = 4,19 Der Versuchsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt. Das Dewargefäß befindet sich während der gesamten Versuchsdurchführung auf der Schul-Laborwaage. Einsetzen der Werte in Gl. (V) ergibt: – Becherglas geben, um das Eis auf die Temperatur von 0 8C zu bringen (mit Thermometer bzw. Temperaturfühler kontrollieren). Thermometer oder Temperaturfühler NiCr-Ni in das Dewargefäß stellen. 45,8 8C Masse von Wasser und Eis: Aufbau – Eiswürfel in das zu einem Viertel mit kaltem Wasser gefüllte 200 g kJ kg ⋅ K Qs kJ = 75,3 K und QS = 316 . c kg Literaturwert: QS = 334 kJ kg LD DIDACTIC GmbH ⋅ Leyboldstrasse 1 ⋅ D-50354 Hürth ⋅ Phone (02233) 604-0 ⋅ Telefax (02233) 604-222 ⋅ E-Mail: [email protected] © by LD DIDACTIC GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved
