Institut für Physik Fachhochschule Flensburg

Fachhochschule Flensburg
Fachbereich Technik
Name:
Versuch-Nr.:
Institut für Physik
W2
Bestimmung der
Verdampfungswärme von
Wasser
Gliederung:
Seite
Einleitung
Versuchsaufbau (Beschreibung)
Versuchsdurchführung
Versuchsaufbau (Skizze)
Laborgruppe:..........................
1
4
4
5
..................................
Unterschrift des/der Studenten
Als Übungsergebnis anerkannt:
Flensburg, den.......................
..................................
Unterschrift des Dozenten
Institut für Physik
Versuch :
W2
Blatt :
1
Einleitung
Die meisten Stoffe können in drei wesentlich verschiedenen physikalischen
Zuständen auftreten. Diese Aggregatzustände bezeichnen wir als fest,
flüssig und gasförmig.
Die Umwandlung der Zustände ineinander erfolgt bei bestimmten Temperaturen und zwar beim Schmelzpunkt vom festen zum flüssigen, beim Siedepunkt vom flüssigen zum gasförmigen. In umgekehrter Richtung erfolgt die
Umwandlung bei derselben Temperatur. Der Kondensationspunkt, bei dem
Dampf sich verflüssigt, stimmt also mit dem Siedepunkt überein. Das gleiche
gilt für den Erstarrungspunkt und den Schmelzpunkt.
°C
150
gasförmig
Wasserdampf
100 Schmelzen
Erstarren
kg
Verdampfen
Schmelzwärme
419
Wasser
Kondensieren
3095
838
Q in kJ
fest
50
0
kJ
flüssig
Verdampfungswärme 2257
Eis
-50
Bild 1
Wie in Bild 1 veranschaulicht, läßt sich eine Flüssigkeit nicht beliebig hoch
erhitzen. Führt man z.B. einer Wassermenge ständig Wärme zu, so steigt
die Temperatur der Flüssigkeit fast gleichmäßig bis zum Siedepunkt, bleibt
aber dort stehen, bis alles Wasser verdampft ist. Ein in siedendes Wasser
gebrachtes Thermometer zeigt also (bei Normal-Luftdruck von 1013 hPa)
unverändert 100 ° C an, obwohl ständig Wärme zugeführt wird.
Diese Wärme nennt man Verdampfungswärme; sie dient dazu, die sog.
Austrittsarbeit zu leisten, die beim Austritt der verdampfenden Moleküle aus
der Flüssigkeit aufgebracht werden muß, sowie zur Vergrößerung des
Volumens.
So ist z.B. das Volumen von 1 kg Wasser etwa 1 l (schwach abhängig von
der Temperatur), während 1 kg Wasserdampf bei 100 °C und1013 hPa ein
Volumen von 1670 l einnimmt. Führt man nun den umgekehrten Prozeß
durch, indem man das Gas wieder verflüssigt, so muß man dafür sorgen,
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Blatt :
2
daß die dabei freiwerdende Energie(sie heißt nun Kondensationswärme
und ist dem Betrag nach gleich der Verdampfungswärme) an die Umgebung
abgeführt wird. Die Verflüssigung des Gases erfolgt also (ebenso wie das
Verdampfen der Flüssigkeit) bei konstanter Temperatur, nämlich bei der
Siedetemperatur.Der Unterschied zwischen beiden Prozessen besteht darin, daß beim Verdampfen dem Flüssigkeits-Dampf-System Energie zugeführt wird, während beim Kondensieren diesem System Energie entzogen
wird. Diese Energie, die in dem Dampf enthalten ist, nennt man auch latente
(verborgene) Wärme.
Merksatz:
Die Verdampfungswärme r einer Flüssigkeit ist die Wärmemenge, welche
nötig ist, um 1 kg der Flüssigkeit bei Siedetemperatur in Dampf von
gleichem Druck und gleicher Temperatur zu verwandeln.
Einige Siedepunkte ts und Verdampfungswärmen r bei 1013 hPa:
t s in °C
r in
Quecksilber
357
285
Wasser
100
2257
Alkohol
78
879
Äther
35
377
Benzol
80
393
Sauerstoff
-183
213
Wasserstoff
-253
469
Stoff
kJ
kg
Die Siedepunkte und damit die Verdampfungswärmen sind nicht konstant, sondern
sehr stark vom Druck abhängig. Deshalb beziehen sich die in der Tabelle angegebenen Zahlenwerte auf den Druck von 1013 hPa bzw. 1 atm. Bei höherem Druck
liegt der Siedepunkt einer Flüssigkeit höher, bei kleinerem Druck niedriger. So
siedet das Wasser unter einem Druck von 0.5 atm bei 87.7 °C und unter einem
Druck von 2 atm bei 116.2 °C
Die Moleküle der Flüssigkeit, die in den gasförmigen Zustand übergegangen sind,
erzeugen über der Flüssigkeit einen Druck, den sog. Dampfdruck. Weil bei zunehmender Temperatur immer mehr Moleküle verdampfen, wächst der Dampfdruck mit
steigender Temperatur rasch an. Ist er ebenso groß geworden wie der äußere
Luftdruck, so kann die Dampfbildung in der gesamten Flüssigkeit einsetzen; sie
fängt zu
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Blatt :
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sieden an. Daher ist der Siedepunkt dadurch gekennzeichnet, daß bei ihm der
Dampfdruck gerade ebenso groß ist wie der Druck der umgebenden Atmosphäre.
Jedem Druck ist somit eine genaue Siedetemperatur zugeordnet. Man bezeichnet
die Werte als Sättigungsdruck p und Sättigungstemperatur T.
Merksatz:
Der Sättigungsdampfdruck stellt sich ein, wenn sich Flüssigkeit und Dampf
in einem geschlossenen Raum im Gleichgewichtszustand befinden. Der
Sättigungsdampfdruck ist nur von der Art des Stoffes und von der Temperatur, nicht aber vom Volumen des Behälters abhängig.
Der Gleichgewichtszustand ist nur dann vorhanden, wenn im Mittel pro Zeit
gleich viele Moleküle aus der Flüssigkeit in den Dampf übergehen, wie aus
dem Dampf wieder zurück in die Flüssigkeit tauchen; wenn sich also die
Anteile der Flüssigkeit und des Dampfes an der gesamten Substanz nicht
gegeneinander verschieben. Vergrößert man das Volumen, so sinkt zunächst der Druck des Gases. Es verdampft dann jedoch soviel Flüssigkeit,
bis sich der Sättigungsdampfdruck wieder eingestellt hat. Umgekehrt wird
bei Verkleinerung des Volumens der neue Gleichgewichtszustand dadurch
erreicht, daß ein Teil des Dampfes kondensiert. Daher ist der Sättigungsdampfdruck nicht vom Volumen abhängig.
Trägt man den Sättigungsdampfdruck p und die Temperatur T in einem p/TDiagramm auf, so erhält man die Spannungskurve. Die Kurve weist einen
annähernd exponentiellen Charakter auf und ist unterschiedlich für die
verschiedenen Stoffe.
p=f(T)
p in hPa
Spannungskurve
Flüssigkeit
Dampf
T in °C
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Für Wasser gelten in Abhängigkeit vom Luftdruck folgende Siedepunkte:
p in hPa
T in °C
960
98.5
970
98.8
980
99.1
990
99.3
1000
99.6
1010
99.8
1013
100.0
1020
100.2
1030
100.5
1040
100.7
1050
101.0
Versuchsaufbau:
In Bild 2 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt. Der im Erlenmeyer-kolben erzeugte Dampf strömt durch die Schlauchverbindung in das
als Kalorimeter dienende Dewargefäß und gibt bei der Kondensation seine
Wärme an das im Dewargefäß befindliche kalte Wasser ab.
Versuchsdurchführung:
1.
2.
3.
4.
Wägen des Dewargefäßes 1. leer und 2. mit Wasserfüllung zur Ermittlung der Wassermenge m 1
Temperatur t 1 der Wassermenge m 1 messen
Wasser im Erlenmeyerkolben erhitzen
Erst nach Erwärmung des gesamten Dampfweges bis auf Dampftemperatur wird der am Rohrende ausströmende tropfenfreie Dampf in
das Dewargefäß geleitet
WICHTIG: Um eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten, muß das
Wasser ständig umgerührt werden (Temperaturfühler dazu nutzen) !
5.
6.
Luftdruck zur Ermittlung der Dampftemperatur t s ablesen
Nach Erreichen der gewünschten Mischtemperatur t m (ca. 70 - 80°C)
die Wärmezufuhr abstellen
Wichtig: Erst Dampfrohr aus dem Dewargefäß entfernen, dann Hei
zung abstellen !
7. Sorgfältige Ermittlung der Mischtemperatur t m nach mehrmaligem
Umrühren
8. Wägen des Dewargefäßes zur Ermittlung der kondensierten Dampf
menge m 2
10. Bestimmen Sie die Kondensationswärme X bzw. die zahlengleiche
Verdampfungswärme r inkl. Fehlerrechnung nach Gauss.
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Blatt :
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Blatt :
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Zur Auswertung der Versuchsergebnisse:
Die vom Dampf abgegebene Wärmemenge muß nach dem Gesetz der
Energieerhaltung von dem im Kalorimeter befindlichen Wasser aufgenommen worden sein.
Q w = m1 ◊ c w ◊ (t m - t 1 )
Die durch den Dampf zugeführte Wärmemenge dient aber nicht ausschließlich der Erwärmung des Wassers, sondern auch das Dewargefäß nimmt eine
gewisse Wärmemenge auf. Sie läßt sich über die Wärmekapazität C des
Gefäßes berechnen.
QD = mD ◊ c D ◊ (t m - t 1 )
wobei mD ◊ c D = C (Wärmekapazität)
Zusammengefaßt ergibt sich also
Q = Q w + QD
Q = (m1 ◊ c w + C) ◊ (t m - t 1 )
Diese Wärme ist aus zwei voneinander zu trennenden Vorgängen entstanden:
a) aus der freiwerdenden Kondensationswärme der Dampfmenge m 2
Qa = X ◊ m2
und
b) aus der Abkühlung des dabei gebildeten Wassers vom Siedepunkt t s auf
die Mischungstemperatur t m
Q b = c w ◊ m 2 ◊ (t s - t m )
Setzt man diese Formeln gleich, so erhält man
(C + m1 ◊ c w ) ◊ (t m - t 1 ) = X ◊ m2 + c w ◊ m2 ◊ (t s - t m )
Q = Qa + Qb
Durch Umstellen der Formel nach der Kondensationswärme X bzw. der
zahlengleichen Verdampfungswärme r ergibt sich:
X ◊ m 2 = (C + m1 ◊ c w ) ◊ ( t m - t 1 ) - c w ◊ m 2 ◊ ( t s - t m )
r=X=
(C + m1 ⋅ c w ) ⋅ ( t m − t1) − c w ⋅ m2 ⋅ (t s − t m )
m2
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Die Verdampfungswärme von Wasser
Anlage W2
Anmerkungen :
Dieser Vordruck ist von jedem Studenten während der Versuchsdurchführung mit Tinte oder
Kugelschreiber auszufüllen. Tragen Sie übersichtlich die gemessenen Werte und die abgeschätzten Meßfehler ein.
Diese Vordrucke sind zusammen mit den Laborberichten abzugeben.
---------------------------Student
---------------------------Studiengruppe
---------------------------Datum
---------------------------Labor-Ing.
Meßwerte:
1
Masse des leeren Kalorimeters
g
2
Masse des Kalorimeters mit Wasser
g
3
Die daraus ermittelte Wassermenge
4
Momentaner Luftdruck
5
Siedetemperatur des Wassers
ts
°C
6
Temperatur der Wassermenge m1
t1
°C
7
Mischungstemperatur
tm
°C
8
Gesamtmasse nach Beendigung des Versuches
9
Daraus die Kondensatmenge
m2
g
10
Spezifische Wärme des Wassers
cw
J
g◊K
11
Wärmekapazität des Kalorimeters
C
J
K
Abgeschätzte Meßfehler :
m1
g
hPa
g