P2.4.1.2 Bestimmung der spezifischen Schmelzwärme

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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
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