Die Schmelz- und Verdampfungswärme von Wasser
Einleitung
Die Ausgangslage zum Experiment
Die Vorgehensweise
Theorie
Begriffe und Variablen
Formel
Experiment
Messdaten
Grafik
Berechnung
Fehlerrechnung
Diskussion des Experimentes
Dampf und Eis werden zu flüssigem Wasser gemischt. Aus den beobachteten Temperatursprüngen und weiteren Daten lassen sich die spezifische Schmelz- und Kondensationswärme berechnen.
> Eine Waage
> Ein Kalorimeter
> Ein Barometer
> Verschiedene Thermometer
> Ein Gefäß, in welchem Dampf erzeugt wird mit Hilfe eines Bunsenbrenners.
> Ein Rührer, um das Wasser zu durchmischen
Wägen des Kupfer-Innenbechers des Kalorimeters mitsamt Rührer, aber ohne Thermometer.
Füllen des Innenbecher zu 2/3 mit kaltem Leitungswasser und wägen der Wassermasse.
Messen der Temperatur des Wassers im Kalorimeter als Funktion der Uhrzeit (etwa in Minutenabständen).Dabei öfters rühren. Vor und nach den zwei Mischungen je etwa zehn Minuten lang messen.
Währenddem etwas Wasser in den Dampfkessel füllen und heizen. (Vorsicht Verbrühungsgefahr!) Warten , bis die Dampfleitung heiss ist und der Dampf gleichmäßig ausströmt.
Das Dampfrohr eine Zeitlang ins Wasser im Kalorimeter tauchen und kräftig rühren. Gleichzeitig das Thermometer beobachten: Die Wassertemperatur darf keinesfalls dessen Messbereich überschreiten,höre also frühzeitig wieder auf. Es sollte auch kein Kondenswasser aus der Dampfleitung ins Kalorimeter gelangen.
Während zehn Minuten die Temperatur messen. Dann die Wassermasse genau wägen und den Becher zurück ins Kalorimeter stellen.
Die Temperaturmessungen etwa zehn Minuten weiterführen. Dann etwas trockenes Eis dazuschütten, rühren und die Temperatur nochmals zehn Minuten messen. Danach die Wassermassewägen. Nehme nicht zuviel Eis (weniger als 1/3 der Wassermasse), denn die Mischungstemperatur muss über 0° C bleiben Das Eis kann mit einer Papierserviette getrocknet werden.
Arbeitsplatz aufräumen.
Mit Hilfe des Barometers und der ausgehängten Tabelle die aktuelle Temperatur des Wassersbestimmen, schlage die spezifische Wärmekapazitat von Wasser und Kupfer nach.
Kalorimeter Gerät, von dem man die genaue Wärmekapazität kennt.
Verdampfen Überführung eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand
Kondensieren Überführung eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand
Schmelzen Überführung eines Stoffes vom festen in den flüssigen Aggregatszustand
Erstarren Überführung eines Stoffes vom flüssigen in den festen Aggregatszustand
Verdampfungswärme Energie, die Benötigt wird, einen Stoff zu verdampfen
Kondensationswärme Energie, die Benötigt wird, einen Stoff zu kondensieren
Schmelzwärme Energie, die Benötigt wird, einen Stoff zu schmelzen
Erstarrungswärme Energie, die Benötigt wird, einen Stoff zu verdampfen
Barometer Gerät zum Messen des Luftdruckes
LV Spezifische Verdampfungs bzw. Kondensationswärme
LF Spezifische Schmelz bzw. Erstarrungswärme
mWasser1 Masse des Wassers am Amfang des Experimentes
mWasser2 Masse des Wassers nach Einführen des Dampfes
mWasser3 Masse des Wassers nach zugeben des Eises
mEis Masse des Eises
mDampf Masse des Dampfes
Tsied Siedetemperatur des Wassers
Tgemessen1 Temperatur gemessen nach eingeben des Dampfes
Tgemessen2 Temperatur gemessen nach eingeben des Eises
mKalorimeter Masse des Kalorimeters
Ckalorimeter Wärmekapazität des Kalorimeters
T0 Ausgangstemperatur des Wassers im Kalorimeter
CWasser Wärmekapazität des Wasers
Q Wärmemenge in Joules
Die allgemeinen Formeln zur Berechnung lauten:
Q = LF * m
Q = LV * m
Es gilt aber auch:
Q = mKalorimeter * Ckalorimeter * (Tgemessen1 - T0 )
+ mWasser * CWasser *( Tgemessen1 - T0 ) + mDampf * CWasser *(TDampf - T1)
Q = mKalorimeter * Ckalorimeter * (Tgemessen2 - Tgemessen1 )
+ mWasser * CWasser *( Tgemessen2 - Tgemessen1 ) + mEis * CWasser *(TEis - T2)
Nach der Auflösung und Gleichsetzung der Formeln nach LV , beziehungsweise LF, können die Schmelz- und Verdampfungswärmen berechnet werden.
LF = (Tgemessen1 - T0 ) (mKalorimeter * Ckalorimeter + mWasser * CWasser )
+ mEis * CWasser *(TEis - T2)
mWasser
LV = (Tgemessen2 - Tgemessen1 )( mKalorimeter * Ckalorimeter + mWasser * CWasser )
mWasser
Masse des Kalorimeters mit dem Rührer, leer 156,94 g
Masse des Kalorimeters mit dem Rührer, gefüllt mit Wasser 459,47g
Wärmekapazität des Kalorimeters 383 J/Kg* °k
Wärmekapazität desWassers 4182 J/Kg* °k
Masse des Wassers 302.53 g
Masse des Wassers mit Dampf 309.84 g
Masse des Wassers mit Eis 339.98 g
Masse der Nieten 40,29 g
Luftdruck abgelesen 730.5 Torr
Zimmertemperatur 22.0 °C
Korrigierter Luftdruck mit Hilfe der Tabelle 730.5-2.62 =
727.9 Torr
Siedetemperatur des Wassers bei 727.9 Torr Luftdruck 98,798 °C
Temperatur vor dem Eintauchen Des Dampfes
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Zeit in Minuten |
Temperatur in ° Celsius |
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Temperatur beim und nach dem Eintauchen des Dampfes
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Zeit in Minuten |
Temperatur in °Celsius |
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Temperatur beim und nach dem Einwerfen des Eises
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Zeit in Minuten |
Temperatur in °Celsius |
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T(min)
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Man kann zwar die Werte einfach in die Formel eintragen,
Wir setzten nun einfach die gemessenen Werte in die Formel ein, und erhalten so die gewünschten Wärmewerte. Folgende nicht bekannte Werte werden dem Formel und Tafelbuch entnommen: Die Wärmekapazität des Kalorimeters, da das aus Kupfer besteht und die Wärmekapazität des Wassers. Damit in der Berechnung nicht immer die Sorten eingetragen werden müssen, gilt:
> Massen m in kg
> Wärmekapazitäten in J/(kg * °k)
> Temperaturen in °k
LF = ( 314.15 - 293.15)( 383 * 0.157 + 4182 * 0.310)
0.310
= 3.433*10^4
LV = ( 301.05 - 314.15)( 383 * 0.157 + 4182 * 0.341)
+0.302 * 4182 * (0-314.15)
0.341
= 1.359*10^5
Fehler können bei diesem Experiment eigentlich nicht sehr viele passieren, jedoch kann sich der Fehler bei dieser komplizierten Rechnung sehr schnell aumsummieren. Da man den Fehler von Multiplikationen nicht einfach so berechnen kann, muss man die Fehler nach folgender Formel berechnen:
Also sieht der Fehler folgendermassen aus:
LF = Lf * ΔLf
Nun müssen die Werte wiederum in die Formel eingesetzt werden, mit folgenden Fehlerwerten:
Für die Massen: Δ= 0.1 g
Für die Kapazitäten: Δ=0.0
Für die Temperaturen: Δ=0.1 °C
Die Werte für LF und LV konnten mit diesem experiment recht gut angenähert werden. Auf die gleiche Art lassen sich diese Werte für andere, bei Zimmertemperatur flüssige Stoffe berechnen.
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