Physikalisches Grundlagenlabor

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Grundlagen
2.1
Fachbegriffe
• Temperatur, Wärmeenergie, Wärmekapazität, spezifische Wärmekapazität, Strom, Spannung, Leistung
Physikalisches Grundlagenlabor
• Energie, Widerstand, Wärmeverluste, Isolation, PT100
Versuch 2.5 Bestimmung der spezifischen Wärme- 2.2 Theorie
kapazität des Wassers
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Zur Erhöhung der Temperatur eines Körpers um ∆T muß eine bestimmte Wärmemenge ∆Q zugeführt werden. Treten hierbei keine Phasenänderungen (z.B.
änderungen der Kristallgitterstruktur) auf, so bezeichnet man den Quotienten
Geräte
C=
• Kalorimeter mit elektrischer Heizung
∆Q
∆T
(1)
als Wärmekapazität des Körpers.
Den Quotienten aus der Wärmekapazität C und der Masse m eines Stoffes
nennt man seine spezifische Wärmekapazität c:
• Konstanter als Spannungsquelle
• Spannungsmesser
c=
• Strommesser
C
∆Q
=
m
m · ∆T
(2)
Sie gibt die Wärmemenge an, die für die Masseneinheit eines Stoffes eine
Temperaturänderung um 1K bewirkt.
• Dewargefäß für schmelzendes Eis
• Temperaturmessgerät mit PT100-Messfühler
• Laborlaptop
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erstellt: 20.9.2016
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Versuch
Die spezifische Wärmekapazität ermittelt man aus dem Energiesatz:
In einem Kalorimeter (Wärmekapazität C = 40J/K), das mit m ≈ 200g Wasser gefüllt ist, befindet sich eine Heizwendel R. Liegt an ihr während der Zeit
∆t die Spannung U und wird sie von dem elektrischen Strom I durchflossen,
so gibt sie an das Wasser die Wärmemenge
∆Q = U · I · ∆t
U · I · ∆t = m · cw · ∆T + C · ∆T
(4)
(3)
ab. Für die Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers werden
Strom- und Spannungsmesser nach Abbildung 1 (Seite 2), angeschlossen.
Die Wassertemperatur vor, während
und nach der Energiezufuhr wird durch
ein Messgerät mit Temperatur-Sensor
über ein Programm aufgezeichnet. Aus
dem aus den aufgezeichneten Werten erstellten Diagramm ist die Temperaturerhöhung ∆T durch graphische Korrektur zu ermitteln.
+ U = 5V -
A
V
R
Abbildung 1: Schaltskizze der
Heizung
Die der Heizwendel zugeführte elektrische Leistung bestimmt man durch
Messung von Strom und Spannung. Hierbei verwende man zur Spannungsmessung in einem Versuchsdurchlauf das Instrument mit hohem Innenwiderstand
und in einem zweiten das mit niedrigem Innenwiderstand. Die Innenwiderstände der Spannungsmesser sind bei der Versuchsauswertung zu berücksichtigen.
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erstellt: 20.9.2016
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Aufgabe
Temperatur
Für die Benutzung des Temperaturmessgerätes ist eine Einweisung nötig.
Bestimmung der benötigten Temperaturwerte aus dem Temperatur-ZeitDiagramm:
Für die Auswertung müssen die Temperatur T1 des kalten Körpers und
Temperatur-Zeit Kurve
die Mischungstemperatur Tm bestimmt
T
werden. Aus der Temperatur-Zeitkurve
A
erhält man durch Extrapolation die
Nachkurve
Temperaturwerte, die man bei unendA’
lich schnellem Wärmemengenaustausch
T
messen würde. Dazu legt man durch den
linearen Teil der Vor- und Nachkurve
Vorkurve
eine Ausgleichsgerade. Durch den TemZeit
peraturanstieg wird eine Senkrechte zur
Abbildung 2: Temperatur-ZeitZeitachse so gelegt, daß die Flächen A
0
Diagramm
und A gleiche Größe haben.
Die Schnittpunkte der Senkrechten mit den Ausgleichsgeraden der Vor- und
Nachkurve ergeben die Temperatur T1 des kalten Wassers zum Zeitpunkt der
Zugabe des heißen Körpers und die Mischungstemperatur Tm .
m
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erstellt: 20.9.2016