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Versuche

Erwärmen

Das Ziel des Versuchs

Auffinden des Terms für die Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\).

Hinweise

  • Mit dem SCHÜRHOLZ-Versuch (Link am Ende dieses Artikels) gelingt es auf physikalisch einwandfreie Weise eine Formel für die innere Energie zu entwickeln. Die Versuchsdurchführung und -auswertung ist sehr aufwändig. Nur sehr interessierte und leistungsfähige Schüler sollten sich an das Thema heranwagen.
  • Durch das Aufheizen von Flüssigkeiten mit einem Tauchsieder stellen wir dir einen einfacheren Versuch vor, der dir zeigt, wie man experimentell zur Zusammensetzung des Terms für die Änderung der inneren Energie \(\Delta E_{\rm i}\) gelangen kann. Der Nachteil gegenüber dem komplizierteren Schürholzversuch ist jedoch, dass wir die elektrische Energie \(\Delta E_{\rm el}\), die bei diesem Versuch zugeführt wird, noch nicht berechnen können.

Aufbau und Durchführung

Joachim Herz Stiftung
Versuchsaufbau
  • Mit einem Tauchsieder wird die im Becherglas befindlicher Flüssigkeit der Masse \(m\) erwärmt.
  • Mit dem Rührstab wird für eine gute Durchmischung der Flüssigkeit gesorgt.
  • Die Temperatur \(\vartheta\) der Flüssigkeit wird in Abhängigkeit von der Zeit \(t\) registriert.
  • Die Styroporunterlage dient der guten Wärmeisolation.
  • Vor jeder Messung sollte der Tauchsieder ca. eine Minute in einem zweiten Behälter mit ausreichend Wasser vorgeheizt werden.
  • Die Endtemperatur der jeweiligen Versuche sollte wegen der einsetzenden Abstrahlung nicht zu hoch sein.
  • Der Tauchsieder wird elektrisch immer auf die gleiche Art und Weise betrieben. Man kann also davon ausgehen, dass in gleichen Zeiten die gleiche elektrische Energie zugeführt wird:
  • Näherungsweise kann man davon ausgehen, dass die gesamte zugeführte elektrische Energie dazu dient die innere Energie der Flüssigkeit zu erhöhen:
  • Aus (1) und (2) ergibt sich, dass dann auch die Zunahme der inneren Energie proportional zur Zeit ist:

Beobachtung

Wasser; m = 500 g
Zeit in Minuten
0
1
2
3
4
5
6
ϑ in °C
24,5
26,3
28,8
30,8
32,8
34,7
.
Δϑ in °C
0
1,8
4,3
6,3
8,3
10,2
.

 

Wasser; m = 1000 g
Zeit in Minuten
0
1
2
3
4
5
6
ϑ in °C
23,6
24,6
25,7
26,7
27,7
28,8
29,8
Δϑ in °C
0
1,0
2,1
3,1
4,1
5,2
6,2

 

Wasser; m = 1500 g
Zeit in Minuten
0
1
2
3
4
5
6
ϑ in °C
23,0
23,7
24,4
25,1
25,9
26,7
27,3
Δϑ in °C
0
0,7
1,4
2,1
2,9
3,7
4,3

 

Öl; m = 500 g
Zeit in Minuten
0
1
2
3
4
5
6
ϑ in °C
22,5
26,7
31,0
35,3
39,6
.
.
Δϑ in °C
0
4,2
8,5
12,8
17,1
.
..
Auswertung

\(\Delta E_{\rm el}\sim t\qquad (1)\)

\(\Delta E_{\rm i}=E_{\rm el}\qquad (2)\)

Fertige ein sauberes t-Δϑ- Diagramm für die vier Versuche.

  1. Erläutere, warum man die t-Achse im obigen Diagramm durch ein (nicht skalierte) ΔEi-Achse ersetzen kann.

  2. Erläutere, wie man aus dem Diagramm ablesen kann, dass bei konstanter Masse gilt: ΔEi ~ Δϑ.

  3. Erläutere, wie man aus dem Diagramm ablesen kann, dass bei konstantem Δϑ gilt: ΔEi ~ m.

  4. Zeige, wie man aus den beiden Proportionalitäten von den Teilaufgaben b) und c) eine einzige Proportionalität und schließlich eine Gleichung bilden kann.

  5. Die Proportionalitätskonstante bei der Gleichung von Teilaufgabe d) heißt spezifische Wärmekapazität.

    Gib an, wie sich die spezifischen Wärmekapazitäten von Öl und Wasser verhalten.

  6. Erkläre, warum sich mit dem obigen Versuch die Absolutwerte der spezifischen Wärmekapazitäten nicht berechnen lassen.