Ausdehnung bei Erwärmung

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Wärmelehre
Wärmelehre

Anomalie des Wassers

Anomalie des Wassers

Mit dem hier dargestellten Versuch kann die Volumenausdehnung von Wasser bei Abkühlung von ca. \(14^\circ {\rm{C}}\) auf \(0^\circ {\rm{C}}\) untersucht werden.

Das Wasser wird so eingefüllt, dass sich keine Luftblasen mehr im Kolben befinden. Die Temperatur des Wassers sollte nicht über \(14^\circ {\rm{C}}\) sein. Der Wasserpegel sollte möglichst weit oben im Steigrohr sein. Die Wassertemperatur im Kolben kann mit einem Thermoelement gemessen werden.

Der Kolben wird in eine Kältemischung aus Eis, Wasser und Salz gestellt.

Mit dem Magnetrührer wird das Magnetsteinchen in Rotation versetzt.

Nun wird die Steighöhe \(h\) in Abhängigkeit von der Temperatur \(\vartheta \) während der Abkühlphase gemessen.

Fragen zum Versuch

  1. Warum ist es wichtig, dass sich keine Luftblasen im Kolben befinden?

  2. Warum darf das Wasser zu Versuchsbeginn nicht zu warm z.B. \(30^\circ {\rm{C}}\) sein?

  3. Warum muss mit dem Magnetrührer gearbeitet werden?

  4. Warum muss der Kolben bei \(0^\circ {\rm{C}}\) sofort aus der Kältemischung genommen werden?

 Bild 1 

Erstelle mit Hilfe der Animation des Versuchs eine \(\vartheta \)-\(h\)-Tabelle.

Fertige ein sauberes \(\vartheta \)-\(h\)-Diagramm. Wähle vernünftige Einheiten, so dass das Diagramm etwa eine halbe Seite einnimmt.

Das Volumen des Kolbens ohne Steigrohr sei \({V_0} = 310{\rm{c}}{{\rm{m}}^3}\). Es werde die Volumenänderung des Glaskolbens außer Acht gelassen. Die innere Querschnittsfläche des Steigrohres sei \(A = 0,0227{\rm{c}}{{\rm{m}}^2}\).

Zeige, dass für den Quotienten aus der Dichte bei der Temperatur \(\vartheta \) und der Dichte bei \({0{\rm{^\circ C}}}\) gilt:
\[ \frac{\rho \left( \vartheta \right)}{\rho \left( 0\, \mathrm{{^\circ}C} \right)} = \frac{V_0 + A \cdot h \left( 0\, \mathrm{{^\circ}C} \right)}{V_0 + A \cdot h \left( \vartheta \right)} \]

Stelle in einem weiteren Diagramm den Quotienten \(\frac{{\rho \left( \vartheta  \right)}}{{\rho \left( {0^\circ {\rm{C}}} \right)}}\) in Abhängigkeit von \(\vartheta \) dar. Hinweise: Die Höhe \({h\left( {0{\rm{^\circ C}}} \right)}\) kann aus dem Diagramm von zu \(7,2\rm{cm}\) ermittelt werden. Das Arbeiten mit einer Tabellenkalkulation hilft hier viel Arbeit zu sparen.

 
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