W9 „Wärmekapazitäten“

Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Physikalisches Grundpraktikum
W9
„Wärmekapazitäten“
Aufgaben
1 Ermitteln Sie die Wärmekapazität eines mit Wasser gefüllten Kalorimeters mit elektrischem Heizer.
2 Bestimmen Sie die spezifische Wärmekapazität von drei Metallproben.
3 Berechnen Sie die molare Wärmekapazität der Metallproben, und überprüfen Sie die Regel von
Dulong und Petit.
4 Ermitteln Sie die spezifische Wärmekapazität einer Flüssigkeit.
Literatur
Physikalisches Praktikum, 13. Auflage, Hrsg. W. Schenk, F. Kremer, Wärmelehre, 1.0.1, 1.0.3, 3.0, 3.1,
3.2
Gerthsen Physik, D. Meschede, 22. Auflage, 5.1.5, 5.1.6
Zubehör
Kalorimeter mit elektrischem Heizer und Magnetrührer, Kalorimeterflüssigkeit, Temperatursensor,
Multimeter, Versuchskörper, Testflüssigkeit, Notebook mit Messprogramm
Schwerpunkte zur Vorbereitung
- Kalorimeter, Aufbau, Wärmekapazität, Wärmeverluste, Temperatur-Zeit-Diagramm
- Experimentelle Bestimmung von Wärmekapazitäten durch Austausch von Wärmemengen
- Erster Hauptsatz der Wärmelehre
- Spezifische und molare Wärmekapazität, Regel von Dulong und Petit
- Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität
- Temperaturmessung mit elektrischen Temperatursensoren
- Spannungsrichtige Schaltung
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Bemerkungen
Bei einer konstanten elektrischen Leistung Pel steigt die Temperatur in einem Zeitintervall t bei nicht
zu großer Erwärmung oberhalb Zimmertemperatur zeitlich linear an. Für die Energiebilanz folgt
Q  Cges T  Pel t . Die von der elektrischen Heizung abgegebene Energie wird in Form von
Wärmeenergie vom Kalorimeter (Wärmekapazität CK) und der Kalorimeterflüssigkeit
(Wärmekapazität Cfl = mfl cfl ) aufgenommen. Die Wärmekapazität Cges ergibt sich als Summe Cges= CK+
Cfl. Durch die Messung der elektrischen Leistung Pel  UI und die Bestimmung des Anstiegs b=T/t
der zeitabhängigen Temperaturerhöhung kann die Wärmekapazität Cges mit Cges  UI / b bestimmt
werden. Die Temperatur wird mit einem digitalen Thermometer gemessen. Die Bestimmung der
spezifischen Wärmekapazität einer Testflüssigkeit erfolgt analog der Messung zur Bestimmung der
Wärmekapazität des Kalorimeters.
Hinweise zur Durchführung des Versuchs W 9
Für das Kalorimeter mit elektrischer Heizung (Heizwiderstand) ist die Versuchsschaltung als
spannungsrichtige Schaltung aufzubauen (Abb. 1). Bei einer spannungsrichtigen Schaltung wird der
Spannungsabfall U direkt am Heizwiderstand mit einem Digitalmultimeter im ACV-Bereich gemessen.
Den Strom I misst man mit einem Digitalmultimeter im ACA-Bereich. Die richtige Wahl des
Messbereichs der Digitalmultimeter (Abb. 2) ist entsprechend der zu erwartenden Spannung und
Stromstärke zu treffen. Die Kenndaten des Heizwiderstands sind U = 12 V bei einer Leistung von P =
12 W. Die elektrische Schaltung ist durch die BetreuerInnen kontrollieren zu lassen.
Anschließend wird das Kalorimetergefäß mit Wasser so weit gefüllt, dass der Heizwiderstand
genügend tief eintauchen kann. Die Masse des Wassers ermittelt man durch Wägung mit einer
Laborwaage. Der Magnetrührer ist in Betrieb zu nehmen.
Nachdem die Vorperiode zur Kontrolle einer konstanten Anfangstemperatur einige Minuten
gemessen wurde, ist der Heizstrom einzuschalten und die Erwärmungsphase bis ca. 5 K über der
aktuellen Zimmertemperatur zu erfassen. Anschließend kann eine zweite Messung unter analogen
Versuchsbedingungen zur Überprüfung der Reproduzierbarkeit des Messverfahrens durchgeführt
werden. Dazu muss das Kalorimeter abgekühlt und mit frischem Wasser gefüllt werden. Fertigen Sie
ein Temperatur-Zeit-Diagramm an, bestimmen Sie den Anstieg b  T / t und berechnen Sie die
Gesamtwärmekapazität. Mit der Wärmekapazität des Wassers (Cw = m cw ) kann die Wärmekapazität
des Kalorimetergefäßes ermittelt werden: CK = Cges - Cw.
Die Messung der Wärmekapazität eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit erfolgt mit der gleichen
Methode.
Beachten Sie, dass sich während der Messungen das Magnetstäbchen kontinuierlich dreht, um eine
gute Durchmischung der Flüssigkeit im Kalorimeter zu gewährleisten und dass vor Beginn jeder
neuen Messung das Kalorimeter wieder auf Zimmertemperatur abzukühlen und die Flüssigkeit zu
erneuern ist, um reproduzierbare Anfangsbedingungen zu gewährleisten.
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Abb. 1 Versuchsschaltung
(spannungsrichtige Schaltung)
V
A
U
K
M
F
H
T
Voltmeter (digitales Multimeter)
Amperemeter (digitales Multimeter)
Betriebsspannung (Netzgerät)
Kalorimeter
Magnetrührer
Rührfisch
Heizelement
Temperatursensor (Pt-100) mit Ohmmeter
Abb. 2 Digitalmultimeter
1
2
3
Frontansicht
Messbereichswahlschalter (grau: Widerstand, blau:
DCV - Gleichspannung und ACV - Wechselspannung,
rot: DCA - Gleichstrom und ACA – Wechselstrom,
gelb: Kapazität, Frequenz, ...)
Anschlussbuchsen (COM: Gemeinsame (COMmon)
Anschlussbuchse, V /  Spannung gegen COM und
Widerstandsmessung, mA: Strommessung für kleine
Stromstärken, 20A: Anschlussbuchse bei der Messung
hoher Stromstärken)
Die Messunsicherheit der am Arbeitsplatz vorhandenen
Multimeter beträgt: ACA 2%+5dgts, ACV 1%+5dgts
Tabelle 1: Massen der Probekörper
Nr.
Material
m/g
1
Kupfer
126,667(±0,005)
1
Stahl
111,729(±0,005)
1
Aluminium
38,453(±0,005)
2
Kupfer
128,895(±0,005)
2
Stahl
111,868(±0,005)
2
Aluminium
38,474(±0,005)
3
Kupfer
127,875(±0,005)
3
Stahl
112,310(±0,005)
3
Aluminium
38,433(±0,005)
4
Kupfer
126,643(±0,005)
4
Stahl
111,960(±0,005)
4
Aluminium
38,448(±0,005)
Zusammensetzung vom verwendeten Stahl: Fe 72%, Cr 18%, Ni10%
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