P2.4.1.1 - LD Didactic
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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 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
