Schmelz- und Verdampfungsw¨ arme

Physikalisches Anf¨ angerpraktikum der Universit¨ at Heidelberg - Praktikum I Versuch 43 Schmelz- und Verdampfungsw¨ arme

Versuch 43

Schmelz- und Verdampfungsw¨ arme

Netzteil mit Volt- und Amperemeter

Abbildung 1: Aufbau des Versuchs Schmelz- und Verdampfungsw¨ arme.

I Messaufbau

• Kalorimetergef¨aß (niedriges und hohes Dewargef¨aß)

• Thermometer

• Stoppuhr

• Waage

• Eis in Raum 216

• Waage mit Gewichtssatz, zus¨atzlich 10 Gewichte `a 10 g

• Tauchsieder mit Netzteil und Volt- und Amperemeter

II Literatur

• W. Walcher, Praktikum der Physik, B.G.Teubner Stuttgart,

• Standardwerke der Physik: Gerthsen, Bergmann-Sch¨afer, Tipler.

• Lehrb¨ ucher der physikalischen Chemie, z.B. Atkins,Physikalische Chemie

• Homepage des Praktikums (http://www.physikpraktika.uni-hd.de).

III Vorbereitung

Bereiten Sie sich auf die Beantwortung von Fragen zu folgenden Themen vor: Spezifische Schmelz- und Verdampfungsw¨arme, Schmelzpunkt (Druck- abh¨angigkeit), Clausius-Clapeyronsche Gleichung, Stoffe in verschiedenen Aggregatzust¨anden, Dampfdruckkurve, Energie und Leistung elektrischer Str¨ome.

Verst¨ andnisfragen:

1. Erkl¨aren Sie die Begriffe Schmelz- und Verdampfungsw¨arme. Wie h¨angen beide Gr¨oßen vom Druck ab?

2. Wie lautet die W¨armebilanz bei der Messung der Schmelzw¨arme von Eis?

3. Wie sieht bei dem Versuch zur Bestimmung der Verdampfungsw¨arme die Energiebilanz aus? Wieso kann der W¨armeverlust pro Zeit hierbei n¨ahe- rungsweise als konstant angenommen werden?

IV Aufgabe

• Bestimmung des Wasserwertes eines Dewargef¨aßes und Messung der Schmelzw¨arme von Eis bei Atmosph¨arendruck nach der Kalorimeterme- thode.

• Die Verdampfungsw¨arme des Wassers bei Atmosph¨arendruck ist zu be- stimmen.

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Dr. J.Wagner - Physikalisches Anf¨angerpraktikum - V. 0.8 Stand 08/2005

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Physikalisches Anf¨ angerpraktikum der Universit¨ at Heidelberg - Praktikum I Versuch 43 Schmelz- und Verdampfungsw¨ arme

V Durchf¨ uhrung des Versuchs

1. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau.

2. Der Wasserwert des Kalorimeters (niedriges Dewargef¨aß) wird nach der Mischungsmethode bestimmt (siehe Versuch 42: spezifische W¨armekapa- zit¨at). Es ist wichtig, dass der Wasserwert mit ungef¨ahr der gleichen Was- serh¨ohe bestimmt wird, wie sie beim Hauptversuch in (V.3) vorliegt, da sonst ein systematischer Fehler auftritt. (Wieso?)

3. Messung der Schmelzw¨ arme:

Das Kalorimeter (niedriger Dewar) wird zur H¨alfte mit Wasser gef¨ ullt und die Temperatur θ gemessen. ( θ soll ca. 40

C haben.) Die Wassermen- ge wird durch W¨agung bestimmt. Der Temperaturverlauf wird ¨ uber drei Minuten registriert. Anschließend wird Eis hinzugegeben. Die Menge des Eises ist so zu w¨ahlen, dass gew¨ahrleistet ist, dass alles Eis schmilzt, ande- rerseits aber auch eine m¨oglichst große Temperaturerniedrigung auftritt, die in die Genauigkeit der Messung entscheidend eingeht. (Zahlenbeispiel als Hinweis: 1 g Wasser von 40

C kann maximal 0,5 g Eis zum Schmelzen bringen.) Unter gleichzeitigem R¨ uhren mit dem Thermometer (Vorsicht!) wird die Temperatur alle 20 Sekunden abgelesen, bis das Eis geschmolzen ist. Messen Sie dann noch 5 Minuten lang die Temperatur in Schritten von einer Minute. Die hinzugegebene Eismenge m

wird am Schluss des Ver- suchs aus einer erneuten W¨agung des nunmehr Wasser/Eis enthaltenden Kalorimeters bestimmt. Der Temperaturverlauf als Funktion der Zeit wird aufgezeichnet. Um W¨armeverluste w¨ahrend der Messung zu ber¨ ucksichti- gen, extrapoliert man auf unendlich schnellen (also verlustlosen) W¨arme- ausgleich. Eine genaue Anleitung f¨ ur die Methode finden Sie im Versuch 42!

4. Messung der Verdampfungsw¨ arme:

Prinzip der Messung: Auf einer K¨ uchenwaage steht ein Kalorimetergef¨aß (großer Dewar) mit siedendem Wasser, dem mit Hilfe eines Tauchsieders eine gemessene elektrische Energie zugef¨ uhrt wird. Die dadurch verdamp- fende Wassermenge bestimmt man aus der Gewichtsabnahme. Aus beiden Messgr¨oßen l¨asst sich dann die Verdampfungsw¨arme von Wasser bei At- mosph¨arendruck berechnen.

Durchf¨ uhrung: Das bis zu etwa 3 cm unter dem Rand mit Wasser gef¨ ull- te Kalorimetergef¨aß (Es soll beim Kochen nicht ¨ ubersprudeln!) wird auf

die rechte Waagschale gestellt. Mit dem Gewichtsatz wird ein Gleichge- wicht hergestellt, wobei man zum Austarieren Wasser zugeben oder ab- nehmen kann. Es m¨ ussen alle 10 Gewichtsst¨ ucke `a 10 Gramm benutzt werden. Ein Tauchsieder wird mit Hilfe eines Stativs so in das Gef¨aß ein- gebracht, dass er in keiner Stellung der Waage die Gef¨aßwand ber¨ uhren kann (wichtig!). Nun wird das Wasser zum Sieden gebracht. Die verdamp- fende Wassermenge bestimmt man aus der Massenabnahme ∆m. Nach Austarierung der Waage entferne man ein 10 g Gewicht. Es ist wichtig, dass die dabei auftretende Schwingung der Waage mit der Hand ged¨ampft wird. Wenn 10 g Wasser verdampft sind, d.h. die beiden Zungen der Waa- ge durch den Nullpunkt gehen, wird die dazugeh¨orige Zeit t bei laufender Uhr abgelesen und notiert. Nun wird das Gegengewicht um weitere 10 g verringert. Dann wird wieder die Zeit des Nulldurchgangs registriert usw..

Die Beobachtungszeit soll etwa 10 - 15 Minuten betragen. Aus den f¨ ur je 10 g verdampfter Wassermenge gemessenen Zeiten (Differenz der Zeiten von zwei Nulldurchg¨angen) wird ein Mittelwert gebildet. Weiterhin sollen Strom und Spannung st¨andig registriert werden, um anschließend daraus einen Mittelwert der Leistung zu bilden. Dieser Versuch ist einmal mit starker und einmal mit schwacher Heizung (Schalter auf der Schalttafel) durchzuf¨ uhren. Es ist auch darauf zu achten, dass der Tauchsieder immer ausreichend mit Wasser bedeckt ist! Aus beiden Versuchen gewinnt man eine Absch¨atzung der W¨armeverluste, wobei es g¨ unstig ist, dass in beiden Versuchsreihen die Zeiten f¨ ur gleiche Gewichtsabnahme registriert werden.

Dazu muss f¨ ur jede Versuchsreihe die Energiebilanz aufgestellt werden.

U It = λ∆m + At (1)

Hier bezeichnen λ die spezifische Verdampfungsw¨arme, ∆m die verdampfte Wassermenge, t die Zeit f¨ ur diese Gewichtsabnahme, A W¨armeverlust pro Zeiteinheit und U, I Strom und Spannung f¨ ur den Tauchsieder.

Warum ist A bei starker und schwacher Heizung gleich? Die Gewichts- abnahme in Abh¨angigkeit von der Zeit soll f¨ ur beide Versuchsreihen in einem Diagramm graphisch dargestellt werden. Der Anfangsteil der graphischen Darstellung ist im allgemeinen gekr¨ ummt. Das bedeutet, dass sich bei Beginn Ihrer Messung noch keine station¨aren Bedingungen (Siedetemperatur, konstante Temperatur des Dewar-Gef¨aßes) eingestellt hatten. Zur Auswertung (Mittelwert ∆t/10 g) ist nur der geradlinige Teil zu verwenden.

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Nach Versuchsende bitte die Gef¨aße leeren.

VI Auswertung

1. Berechnen Sie den Wasserwert des Kalorimeters und bestimmen Sie die spezifische Schmelzw¨arme von Wasser.

2. Stellen Sie Ihre Messwerte graphisch dar und berechnen Sie jeweils f¨ ur starke und schwache Leistungen die spezifische Verdampfungsw¨arme von Wasser. Dazu ist zun¨achst der W¨armeverlust pro Zeiteinheit zu bestim- men.

3. Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit Literaturwerten und diskutieren Sie die Messfehler.

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