VORBEREITUNG - Freya Gnam, Photolog
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VORBEREITUNG: SPEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT FESTER KÖRPER TOBIAS FREY, FREYA GNAM 1. S PEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT VON M ETALLEN Um die Temperatur eines Körpers zu ändern, muss man ihm Energie in Form von Wärme zuführen oder entziehen. Die Erwärmung eines homogenen Stoffes mit der Masse m um die Temperaturerhöhung ∆T erfordert die Wärmemenge Q = c · m · ∆T ⇒ c = Q m · ∆T c bezeichnet man als spezifische Wärmekapazität. Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist eine seiner physikalischen Eigenschaften und bezeichnet die auf die Masse bezogene Wärmekapazität. Sie gibt an, welche Energie man einem Kilogramm eines Stoffes zuführen muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. Im Versuch bestimmen wir die spezifische Wärmekapazität verschiedener Metalle. Dazu werden diese bei erhöhter Temperatur in ein kühleres Wasserbad getaucht. Um die spezifische Wärmekapazität des Metalls errechnen zu können benötigen wir die Temperatur des Wassers TW , die Temperatur des Metalls TM , die resultierende Mischtemperatur TM isch , die Wassermasse mW , die Metallmasse mM und die spezifische Wärmekapazität von Wasser cW : cM · mM · (TM − Tmisch ) = cW · mW · (Tmisch − TW ) Aus dieser Energiebilanz folgt: cM = cW · mW Tmisch − TW · mM TM − Tmisch Beim Versuch zu beachten. Metallform: Granulat eignet sich besser als ein massiver Metallblock, da seine Oberfläche größer ist. Die Wärmeabgabe kann also schneller erfolgen. 1 Heißes Metall und kaltes Wasser: Die Wärmeabgabe an einer Grenzschicht ist proportional zur Temperaturdifferenz. Wasser hat eine höhere spezifische Wärme als Metall. Es ist daher sinnvoll, im Versuch kaltes Wasser und heißes Metall zu verwenden. Dadurch wird die Wärmeabgabe an die Umgebung gering gehalten. Flüssigkeit: Die Wärmekapazität von Wasser ist im gewählten Temperaturbereich nahezu konstant. Würde man zum Beispiel Öl verwenden, so würde die Wärmekapazität mit der Temperatur schwanken. Es ist also sinnvoll, Wasser zu verwenden. Temperatur: Für die Temperatur des Wassers bietet sich Zimmertemperatur an. Die Metall-Temperatur sollte knapp unterhalb der Siedetemperatur von Wasser liegen. Masse: Die Wassermenge, die verwendet werden kann, ist durch die Größe des Kalorimeters begrenzt. Man bestimmt die Wassermenge, indem man das Kalorimeter wiegt bevor und nachdem man es gefüllt hat. Thermometer: Es ist ein genaues Thermometer zu verwenden, das eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben sollte. Die Masse des Thermometers sollte möglichst gering sein. Temperaturmessung: Jeweils eine Temperaturablesung sollte genügen. Da zu erwarten ist, dass sich schnell ein Gleichgewicht einstellt, ist eine Messung des Temperatur-Zeitverlaufes schwer durchzuführen. Vorexperimente: Referenzmessungen mit bekannten Sollergebnissen sind sinnvoll, da man mit ihnen testen kann, welches Messverfahren sich am besten eignet. 2. B ESTIMMUNG DER TEMPERATURABHÄNGIGEN SPEZIFISCHEN WÄRMEKAPAZITÄT VON A LUMINIUM In diesem Versuch bestimmen wir die temperaturabhängige spezifischen Wärmekapazität von Aluminium im Bereich von 100 K bis 300 K. Dieser Versuch sollte aus Zeitgründen vor Aufgabe 1 gestartet werden. Mit flüssigem Stickstoff kühlen wir einen Aluminiumzylinder auf 100 K ab. Anschließend wird der Zylinder durch Styropor isoliert, um äußere Einflüsse gering zu halten. Wir führen nun bei konstanter Leistung Energie zu und beobachten den Temperaturanstieg. Der Zylinder ist während des Versuches an ein Thermoelement angeschlossen. Das Thermoelement registriert eine thermische Spannung zwischen zwei Kontaktstellen unterschiedlicher Temperatur. Ein x-y-Schreiber zeichnet den zeitlichen Spannungsverlauf während der Aufwärmphase auf. Dieser kann in einen Temperaturverlauf umgerechnet werden. Als Referenztemperatur des Thermoelementes wird Eiswasser verwendet. Damit ist eine absolute Temperaturbestimmung möglich. 2 Daraus lässt sich die temperaturabhängige spezifische Wärmekapazität c (T ) von Aluminium bestimmen. Die Temperaturabhängigkeit steckt in der Temperaturveränderung, die wir aus der momentanen Steigung des T-t-Diagramms ablesen können. ∆Q = c (T ) · m · ∆T = PH · ∆t Die konstante Heizleistung PH erhalten wir mit einer im Zylinder eingebauten Heizwicklung. Die Gesamtleistung ist nicht konstant, da die Umgebung Energie an das System abgibt. Diese äußere Leistung wird in einer Messung ohne Heizung bestimmt: ∆TA ∆t Damit ergibt sich die temperaturabhängige spezifische Wärmekapazität zu: PA (T ) = c (T ) · m · c (T ) = PH + PA PH = · ∆T m m · ∆t 3 ∆T ∆t 1 − ∆TA ∆tA
