P2.4.1.1 - LD Didactic

LD
Handblätter
Physik
Kalorik
Phasenübergänge
Schmelz- und Verdampfungswärme
2.4.1.1
Bestimmung der
spezifischen Verdampfungswärme
von Wasser
Versuchsziele
Messung der Mischungstemperatur qM von kaltem Wasser und Wasserdampf.
Berechnung der spezifischen Verdampfungswärme von Wasser.
Grundlagen
Zur Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme QV
von Wasser wird im Versuch reiner Wasserdampf in ein Kalorimeter geleitet. Der Wasserdampf erwärmt kaltes Wasser auf
die Mischungstemperatur qm und kondensiert unter Abgabe
der Verdampfungswärme zu Wasser, das auf die Mischungstemperatur abgekühlt wird. Man misst zusätzlich die Anfangstemperatur q2 und die Masse m2 des kalten Wassers, sowie
die Masse m1 des kondensierten Wassers und berechnet die
Verdampfungswärme wie folgt:
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
Verdampfen von Wasser. Die pro Masseneinheit benötigte
Wärmemenge wird als spezifische Verdampfungswärme QV
bezeichnet.
DQ1 = c ⋅ m1 ⋅ (1008C − qM)
c: spezifische Wärmekapazität von Wasser
Versuchsaufbau zur Bestimmung der spezifischen Verdampfungswärme von Wasser
links: Temperaturmessung mit dem Thermometer
rechts: Temperaturmessung mit dem Thermoelement
(I),
die das kondensierte Wasser beim Abkühlen von q1 < 100 8C
bis zur Temperatur qM abgibt, und der Wärmemenge DQ2, die
bei der Kondensation von Wasserdampf zu Wasser frei wird.
0110-Sel
Fig. 1
Die vom Wasserdampf abgegebene Wärmemenge setzt sich
zusammen aus der Wärmemenge
1
LD Handblätter Physik
P2.4.1.1
Durchführung
Geräte
Einfüllen des kalten Wassers:
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 Dampfentwickler, 550 W/230 V . . . . . .
1 Kondenswasserabscheider . . . . . . . .
1 Silikonschlauch, i. [ 7 × 1,5 mm, 1 m . .
303 28
384 17
667 194
–
1 Becherglas, 400 ml, n.F., Hartglas . . . .
664 104
– Wasserabscheider in Becherglas stellen und auf festen Sitz
1 Kleiner Stativfuß, V-förmig . . . .
1 Stativstange, 47 cm . . . . . . . .
2 Leybold-Muffen . . . . . . . . . .
2 Universalklemmen, 0 … 80 mm [
300 02
300 42
301 01
666 555
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
– Leermasse des Dewargefäßes ablesen.
– Etwa 150 g destilliertes Wassers einfüllen und dessen Masse m2 sowie Temperatur q2 bestimmen.
– Wasserabscheider so einspannen, dass das Dampfaus-
Einleiten von Wasserdampf:
der Silikonschläuche achten.
– Dampfentwickler an Netzspannung anschließen und Ausströmen des Wasserdampfes abwarten.
– Wasserabscheider erneut über Dewargefäß einspannen
zusätzlich:
destilliertes Wasser.
trittsrohr etwa 1 cm über der Bodenmitte des Dewargefäßes steht, Rohr ggf. mit kurzem Silikonschlauchstück verlängern.
Gesamtmasse der Anordnung erneut bestimmen.
–
und Zunahme der Gesamtmasse sowie Anstieg der Mischungstemperatur beobachten.
Nach einer Zunahme der Gesamtmasse um ca. 20 g,
Dampfentwickler ausschalten und zügig die Mischungstemperatur qM bestimmen.
Letztere entspricht der Wärme, die dem Wasser mit der Temperatur q1 < 100 8C zugeführt werden müsste, damit es wieder
verdampft; also ist
DQ2 = m1 ⋅ QV
(II).
Messbeispiel
Durch Einleiten des Wasserdampfs wird dem kalten Wasser die
Wärmemenge
Masse m2 des kalten Wassers:
153,8 g
DQ3 = c ⋅ m2(qM − q2)
Temperatur q2 des kalten Wassers:
28,1 8C
scheinbare Masse
nach Eintauchen des Wasserabscheiders:
154,3 g
Masse nach Einleiten des Wasserdampfs:
174,0 g
Mischungstemperatur qM
des erwärmten Wassers:
88,3 8C
(III)
zugeführt. Gleichzeitig nimmt auch das Kalorimeter Wärme
auf. Sie kann berechnet werden, da der Wasserwert mK des
Kalorimeters bekannt ist:
DQ4 = c ⋅ mK(qM − q2) mit mK = 20 g
(IV)
Abgegebene Wärme DQ1 + DQ2 und aufgenommene Wärme
DQ3 + DQ4 stimmen überein; daher ist
QV (m2 + mK)
=
⋅ (qM − q2) − (1008C − qM)
m1
c
(V)
Auswertung und Ergebnis
Aufbau
m1 = 174,0 g – 154,3 g = 19,7 g
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt. Das Dewargefäß
befindet sich während der gesamten Versuchsdurchführung
auf der Schul-Laborwaage.
m2 = 153,8 g
qM = 88,3 8C
– Thermometer oder Temperaturfühler NiCr-Ni festklemmen.
– Dampfentwickler ca. 2 cm hoch mit destilliertem Wasser
Wasserwert des Dewargefäßes: mK = 20 g
–
Einsetzen der Werte in Gl. (V) ergibt:
–
füllen, Deckel aufsetzen und Spannvorrichtung sorgfältig
schließen.
Dampfeintrittsrohr des Wasserabscheiders so verschieben, dass ein größerer Abstand zum unteren Gummistopfen bleibt; Dampfaustrittsrohr bis fast an den oberen Gummistopfen schieben.
Dampfaustrittsrohr des Dampfentwicklers über Silikonschlauch mit Dampfeintrittsrohr des Wasserabscheiders
verbinden und Wasserabscheider zunächst noch nicht einspannen.
q2 = 28,1 8C
spezifische Wärmekapazität von Wasser: c = 4,19
kJ
kg ⋅ K
QV
kJ
= 520 K und Q V = 2,18 ⋅ 103 .
c
kg
Literaturwert:
QV = 2,257 ⋅ 103
kJ
kg
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