Spezifische Warmekapazitat

Grundpraktikum I

Spezifische

Wärmekapazität

Versuchsaufgabe

Um die spezifische Wärmekapazität von Kupfer und Wasser zu bestimmen standen uns zwei verschiedene Wege zur Verfügung. Einerseits durch alleinige Zufuhr mechanischer Arbeit andererseits durch zufuhr elektrischer Arbeit. Um die spezifische Wärmekapazität von Wasser bestimmen zu können, muss zuerst die spezifische Wärmekapazität von Kupfer aus dem das Kalorimeter besteht bestimmt werden.

Im Versuch ermittelte Größen:

Temperatur [°C]

Massen m_i [g]

Spannung U [V]

Strom I [A]

Umdrehungen n [1]

Zeit t [s]

Radien r [mm]

Verwendete Messgeräte

Thermometer

Präzisionsbalkenwaage

Schiebelehre

Stoppuhr

Volt- bzw. Amperemeter

Federwaage

Grundlagen

Der erste Hauptsatz der Wärmelehre              Q = U - W

Die dem System netto zugeführte Wärme Q ist die Differenz der Anderung seiner inneren Energie und der von ihm verrichteten Arbeit W.

Das ist nichts anders als eine Formulierung des Energieerhaltungssatzes. Wird dem System Wärme zugeführt, so kann seine innere Energie erhöht werden, oder das System kann Arbeit verrichten, oder beides.

In unserem beiden versuchen wird dem System auf zwei verschiedene arten Wärme zugeführt. Einmal durch mechanische und einmal durch elektrische Arbeit.

Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität auf mechanischem Weg

Die hierzu verwendete Apparatur nennt man Schnürholz-Apparat und ist unter 3.1.3.1 in "Praktikum der Physik [W. Walcher]" skizziert.

Im Optimalfall dreht man nun die Kurbel gerade so schnell, dass die Feder entspannt wird und somit das Gewicht über dem Boden schwebt. [Daran scheiterten wir aber, und deshalb mussten wir die Feder mit einer Zugkraft von ca. 3 N Spannen.] Dabei entsteht durch die Reibung Wärme, die an das Kalorimetergefäß (bzw. das Kupferband) abgegeben wird. Es wird eine konstante Temperaturverteilung im Kalorimeter und im Kupferband angenommen.

                

Die Reibungswärme bewirkt, dass sich das Kalorimeter mit der Anfangstemperatur _A auf die Endtemperatur _E erwärmt.

Daraus die Wärmekapazität des Kupfers

bzw. die spezifische Wärmekapazität des Kupfers ausgerechnet werden:

Nachdem nun die Wärmekapazität von Kupfer und damit die Wärmekapazität des Kalorimeters bekannt ist, kann der Versuch mit Wasser wiederholt werden. Dazu wird ein hohles Kalorimetergefäß mit destilliertem Wasser gefüllt.

Die Reibungsarbeit errechnet sich komplett gleich wie oben beschrieben. Die abgegebene Wärmemenge führt allerdings nun zu einer Erwärmung des Kalorimeters und des Wassers:

Da die Reibungsarbeit gleich der aufgenommen Wärmemenge ist, ergibt sich die spezifische Wärmekapazität des Wassers zu:

Aufgaben und Auswertung

Messdaten:

Masse des Kupferzylinders:               m_K = 735,0g 0,05g

Masse des Kupferbandes:                  m_B = 22,95g 0,05g

Masse der Schnur:                              m_S = 31,2g 0,05g

Masse des Gewichts:                          m_G = 5kg 0,05g

Radius des Zylinders:             r = 32mm 0,1mm

Dicke des Kupferbandes:                   d= 1mm 0,1mm

Raumtemperatur:                                _U = 23,4°C 0,5°C

Jetzt kann die spezifische Wärmekapazität des Kupfers berechnet werden:

Mit Hilfe der molaren Masse des Kupfers, kann nun die molare Wärmekapazität des Kupfers bestimmt werden.

Molare Masse von Kupfer (ersichtlich im Periodensystem) :

M_CU = 63,546 g/mol

Mit der Zahl der Mole kann die molare Wärmekapazität bestimmt werden

T

Wärmekapazität zu:

Fehlerrechnung:

Mittelwert

In unserem Versuch ergibt sich der Mittelwert zu:

wobei n gleich der Anzahl der Versuche ist

Standardabweichung

Vertrauensbereich:

wobei der wahre Wert der Messgröße ist.

Die Vertrauensgrenze beträgt:

Bei drei Versuchen und unter Ansatz eines Vertrauensniveaus von 95% ergibt sich aus Tabelle A 1.5, Walcher Seite 395

Relativer Vertrauensbereich:

ist der Vertrauensbereich bezogen auf den Mittelwert

Größtfehler

Der Größtfehler ist die Summe der Absolutwerte der Einzelfehler:

Beim ersten Beispiel ergibt sich der Größtfehler zu:

Der Größtfehler ist für alle drei Versuche ungefähr gleich groß.

J/kg.K

Ergebnisse für die spezifische Wärmekapazität von Kupfer:

Sollwerte (Dippler):

c_cu = 386 J/kg.K

c_molar = 24,5 J/mol.K

Ergebnisse für die molare Wärmekapazität von Kupfer:

Wärmekapazität des Wassers

Anstatt des Kalorimetergefäßes aus dem vorigen Versuch, wird jetzt ein hohles Kalorimetergefäß aus Kupfer verwendet, dass zu Begin mit einer bestimmten Menge destillierten Wassers gefüllt wird. Für die Wärmekapazität von Kupfer wurde für die weitere Berechnung der Sollwert (Dippler) eingesetzt da unser Wert sehr ungenau ist.

Die Wärmekapazität des Wassers errechnet sich aus:

Messdaten:

Masse des Kupferzylinders: m_K = 108,6g 0,05g

Masse des Kupferbandes:                  m_B = wie oben

Masse der Schnur:                              m_S = wie oben

Masse des Gewichts:              m_G = wie oben

Radius des Zylinders:             r = wie oben

Dicke des Kupferbandes:                   d= wie oben

Raumtemperatur:                                _U = wie oben

Ergebnisse für die spezifische Wärmekapazität von Wasser:

Sollwert (Dippler):

c_W = 4,18 kJ/kg.K

c_molar = 75,2 J/mol.K

Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser auf elektrischem Weg

Zur Bestimmung der Wärmekapazität wird der Aufbau wie in 3.1.3.2  in "Praktikum der Physik [W. Walcher]" verwendet. Das abgewogene Wasser wird in einem möglichst gut isolierten Gefäß, durch einen Tauchsieder, dessen Strom und Spannungsabfall mit einem Ampere- und einem Voltmeter gemessen wird, auf elektrischen Weg erwärmt.

Die aufgewendete elektrische Arbeit ergibt sich zu:

Die dem Kalorimeter zugeführte Wärmeenergie beträgt:

Zufolge der Energieerhaltung ergibt sich die spezifische Wärmekapazität des Wasser zu:

Auch bei diesem Versuch gibt es Verluste, z.B. durch den Innenwiderstand des Voltmeters, die wir aber vernachlässigten.

Aufgaben und Auswertung

Das hierbei verwendete Kalorimeter ist nicht aus Kupfer, wie bei den ersten beiden Versuchen sondern aus Aluminium.

Messdaten 1. Versuch:

Masse des Wassers:                m_W = 232,5g 0,05g

Anfangstemperatur:                _A = 32,6°C 0,1°C

Endtemperatur:                       _E = 54,7°C 0,1°C

Temperaturdifferenz:             D = 22,1°C

Spannung:                              5,4 V 0,1V

Strom:   4,6 A 0,1A

Zeit:      t = 1320s 1s

Spannung und Strom wurden während des gesamten Versuches gemessen. Es stellt sich heraus, dass die beiden Werte als konstant angenommen werden können.

Berechnung:

Zunächst müssen die Wärmekapazitäten verschiedener Bauteile berechnet werden:

Wärmekapazität des Kalorimetergefäßes:

Das Kalorimetergefäß (m = 49,5 g) besteht aus Aluminium. Die spezifische Wärmekapazität von Aluminium beträgt 897 J/kg.K (Tabellenwert - Dippler).

= 53,282 J/K

Wärmekapazität der Heizwendel mit Zubehör:

Laut Angabe entspricht die Wärmekapazität der Heizwendel, der Zuleitungen und des Rührers zusammen der von 2,5g Wasser.

Gesamte Wärmekapazität:

53,282 J/K

Die spezifische Wärmekapazität ergibt sich zu:

Ersetzt man nun die Wärmekapazität des Kalorimeters, so erhält man:

Die Fehlerrechnung ist gleich wie bei der Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser auf mechanischem Wege.

Ergebnisse für die spezifische Wärmekapazität von Wasser:

Da es uns zeitlich nicht mehr möglich war, diesen Versuch noch 2 mal zu wiederholen, kann der Mittelwert (mit Standardabweichung) und der Vertrauensbereich (absolut und relativ) nicht berechnet werden.

Sollwert (Dippler):

c_W = 4,18 kJ/kg.K

T/t - Diagramm

x-Achse:          Sekunden

y-Achse:          Grad Celsius

Anhang - Messdaten