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Bestimmung der Wärmekapazität von Festkörpern

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Wärmekapazität von Metallen

Bestimmung der Wärmekapazität von Festkörpern
kurzer Infotext zum Bild

Versuchsanordnung zur Bestimmung der Wärmekapazität

Kurzbeschreibung
Bestimmung von Wärmekapazitäten
Kategorien
Thermodynamik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 10
Basiskonzept: Energie
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Winfried Jung
Kontakt: winfriedjung@web.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Johannes Schulz
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Der vorliegende Versuch bietet die Möglichkeit, die Wärmekapazität von festen Stoffen zu ermitteln.

Zu diesem Zweck wird ein zuvor erwärmtes Metall in ein Dewargefäß gegeben um anschließend aus den Messwerten der Temperaturdifferenz und dem Gewicht des Metalls, Aussagen über die Wärmekapazität treffen zu können.

Die Wärmekapazität eines Stoffes ist definiert als diejenige Menge an Wärme, welcher einer bestimmten Masse eines Körpers zugeführt werden muss, um die Temperatur eines Körpers um einen Kelvin zu erhöhen (vgl. Demtröder[1] S. 266).

Der Zahlenwert der Wärmekapazität ist demzufolge ein Maß dafür, wie schnell sich ein Körper im Verhältnis zu einem anderen Körper erwärmen oder abkühlen kann. Es gilt hierbei, dass Stoffe mit einem kleinen Wert sich schneller erwärmen, also Temperatur aufnehmen, als Stoffe mit einem im Verhältnis größeren Wert. Gleiches gilt im Falle der Abkühlung, was bedeutet, dass ein Körper mit einem kleinerem Wert schneller Wärmeenergie abgibt (also abkühlt) als ein Körper mit einem eher höherem Wert. Fügt man daher zwei verschiedenen Körpern (verschiedenes Material, gleiche Masse), dieselbe Menge an Wärmeenergie zu, so werden beide Körper im Anschluss nachweislich verschiedene Temperaturen angenommen haben.

Didaktischer Teil

Das Experimentieren im Physikunterricht erfüllt viele verschiedene Aufgaben, wie etwa dem Einüben physikalischer Arbeitsweisen (vgl, Girwidz[2] S.231). Der hier beschriebene Versuch bietet hierfür eine Möglichkeit.

Dass sich Gegenstände erwärmen, wenn ihnen Wärme zugeführt wird, ist den Schüler*innen aus ihrer Alltagswelt vertraut. Die Tatsache allerdings, dass sich Festkörper abhängig vom Material unterschiedlich schnell erwärmen bzw. abkühlen, ist den Schüler*innen hingegen im Allgemeinen nicht bewusst. In der Vorstellungswelt der Schüler*innen herrscht keine Unterscheidung zwischen der Wärmemenge und der Temperatur (vgl. Schmeinck[3] S.139f). Das vorliegende Experiment zur Wärmekapazität bietet insofern eine Möglichkeit, den Schüler*innen diesen Unterschied näher zu bringen. Des Weiteren eröffnet dieses Experiment den Schüler*innen einen Einblick sowohl in die wissenschaftliche Herangehensweise beim Aufnehmen von Messwerten und deren anschließender Bearbeitung zur Generierung von Ergebnissen als auch eine Einführung in die Arbeitsweise eines Kalorienmeters.

Thematisch anzusetzen ist der Versuch zur Bestimmung der Wärmekapazität in P7 9/10 (vgl Rahmenlehrplan[4] S.48). Laut Rahmenlehrplan müssen sich die Schüler*innen innerhalb dieses Blockes mit dem Deuten des Wärmeaustausches als Energieübertrag auseinandersetzen. Das Prinzip des Wärmeaustausches bildet dabei die Grundlage für diesen Versuch. Er zeigt den Schüler*innen, dass die Wärme des Festkörpers zum einen auf das Wasser im Dewargefäß und zum anderen auf das Dewargefäß selbst übertragen wird. Dieser Wärmeaustausch bewirkt, dass es zu einem Temperaturausgleich zwischen dem Festkörper und dem Wasser im Dewargefäß kommt. Zum Auswerten dieses Versuches ist es notwendig, dass die Schüler*innen den thermodynamischen Vorgang betrachten und die einzelnen Energiebeiträge bilanzieren. Auf diese Weise erhalten sie zugleich einen Einblick in wissenschaftliches Arbeiten. Aufgrund der Komplexität der Auswertung empfiehlt es sich, dieses Experiment erst in Klasse 10 mit den Schüler*innen durchzuführen.

Versuchsanleitung

Abb.1:Messaufbau zur Bestimmung von Wärmekapazitäten

Aufbau

Um die Wärmekapazität gemäß der unten stehenden Versuchsdurchführung zu bestimmen werden folgende Geräte benötigt:

  • 2 Stativfüße
  • 2 Stativstangen
  • 2 Stativklemmen
  • 2 Stativmuffen
  • 1 Dewargefäß
  • 1 Becherglas
  • 2 Digitale Temperatursensoren
  • 1 Bunsenbrenner
  • 1 Feuerzeug
  • 1 Zange
  • 1 Rührstab
  • 2 Metallene Objekte
  • 400 g Wasser
  • 1 Dreibein
  • 1 Kupferdrahtnetz

zusätzlich benötigte Materialien:

  • 1 Stoppuhr
  • 1 Waage

Um den Versuchsaufbau nach obigem Bild nachzubauen, müssen zunächst die beiden Stativstangen jeweils in einem der beiden Stativfüße befestigt werden. Anschließend ist in beiden Stativstangen jeweils eine Stativmuffe zu befestigen in welche anschließend jeweils eine Stativklemme befestigt wird. Im vorderen Bereich ist jeweils der Digitalsensor des Thermometers zu befestigen. Der Temperaturfühler ist derart zu Positionieren, dass der eine im Becherglas ca. mittig ist und der andere etwa mittig im Dewargefäß sich befindet. Es wird nun 400 g Wasser in das Dewargefäß geschüttelt und eine ausreichende menge Wasser in das Becherglas. In dem Becherglas werden nun die beiden Metallene Objekte gegeben. Anschließend wird das Becherglas auf das Kupferdrahtnetz gestellt welches sich auf dem Dreibein befindet. Es wird nun der Bunsenbrenner mit dem Feuerzeug angezündet.

Durchführung

Um die Wärmekapazität eines Festkörpers zu bestimmen ist es erforderlich, dass die zu untersuchenden Objekte eine andere Temperatur haben als die Flüssigkeit im Dewargefäß. Von Vorteil ist es, wenn der Temperaturunterschied möglichst groß ist.

Eine Möglichkeit dieses zu erreichen ist die zu untersuchenden Festkörper in einem siedenden Wasserbad eine gewisse Zeit (ca. 10 Minuten) zu belassen. Erst wenn die zu untersuchenden Festkörper sich eine längere Zeit im Wasserbad befinden, kann davon ausgegangen werden, dass die Festkörper die Temperatur des Wasserbades angenommen haben.

Damit das Wasserbad am Sieden gehalten wird, empfiehlt es sich, das Becherglas über einem Bunsenbrenner zu erwärmen. Des Weiteren sollte die Temperatur des Wasserbades mittels eines Temperaturfühlers beobachtet werden. Als Alternative zu einem Bunsenbrenner eignet sich jedwede Wärmequelle, die geeignet, ist ein Wasserbad am Sieden zu halten. Steht dem Experimentator eine Möglichkeit zur Verfügung, Temperaturen jenseits der 100°C zu erzeugen (z.B. mittels eines Heizofens), so sollte beachtet werden, dass sich die Festkörper eine ausreichend lange Zeit in der warmen Umgebung aufhalten.

Zwischenzeitlich kann nun das Dewargefäß vorbereitet werden. Das bedeutet, dass Flüssigkeit in das Dewargefäß gegeben wird. Bei der Menge der Flüssigkeit im Dewargefäß ist zu beachten, dass sich ausreichend Wasser im Dewargefäß befindet, damit der zu untersuchende Festkörper beim Eintauchen vollständig vom Wasser Umgeben ist.

Nachdem sich die Festkörper eine ausreichende Zeit in der warmen Umgebung befunden haben (ca. 10 Minuten), werden sie nun mittels einer Zange (Verbrennungsgefahr bei direktem Kontakt), in das Dewargefäß überführt. Dieser Vorgang sollte, um Fehler zu vermeiden, zügig erfolgen.

Zum Ablesen der Mischungstemperatur sollte ein wenig Zeit verstreichen, da sich die Temperatur im Dewargefäß nicht sofort einstellt.

Ergebnisse

Bei dem Versuch ergaben sich folgende Ergebnisse:

Wärmekapazität [ ] Literaturwert [ ] (vgl. Demtröder[5] S. 272)
Alluminium
Eisen

Auswertung

Es bietet sich in diesem Versuch an, zunächst den Wärmefluss zu bilanzieren. Es ist hierbei zu beachten, dass das zu untersuchende metallene Objekt sowohl Wärme an die sich im Dewargefäß befindende Flüssigkeit abgibt als auch an das Dewargefäß selbst. Die Wärmemenge des Metalls lautet:

Die Wärmemenge der Aufnehmenden Akteure lautet:

Dabeibedeuten:

Damit lässt sich nun die Wärmekapazität bestimmen.

Zusammengesetzt liefert dieses:

damit ließen sich die die Wärmekapazität bestimmen. Vorraussetzung dafür ist allerdings, dass die Wärmekapazität des Dewargefäßes bekannt ist.


Fehlerbetrachtung:

Zur abschätzung des Fehlers wurde der versuch mehrfach durchgeführt aus den resultierenden Werten der Mittelwert sowie die Standardabweichung gebildet.

Der Mittelwert wurde gemäß folgender Formelberechnet:

Die Standartabweichung ergab sich aus:

Mittels dieser Formeln ergaben sich die obigen Berechnungen.

Fehlerdiskussion:

Die gemessenen Werte liegen mit ihren Fehlergrenzen innerhalb der in der Literatur befindlichen Werte.

Allerdings sollte nicht außer Acht gelassen werden, dass es eine große Spannweite in der Standartabweichung gibt. Die Ursache dafür sind folgende Probleme beim Messen:

Positionierung des Temperaturfühlers im Dewargefäß: Eine mögliche Fehlerquelle ist z.B. in der Position des Temperaturfühlers im Dewargefäß gegeben. Die Ursache hierfür liegt daran, dass Wasser zwar ein guter Wärmespeicher, jedoch ein schlechter Wärmeleiter ist. Deshalb muss beim Messen der Temperatur auf eine gute Durchmischung innerhalb des Dewargefäßes geachtet werden. Erfolgt keine Durchmischung innerhalb des Dewargefäßes, so können zu hohe (falls zu dicht am Metall), bzw. zu geringe Werte (falls zu weit am Rand) gemessen werden.

Aufenthalt außerhalb: Eine weitere bisher nicht beachtete Fehlerquelle ist die Verweildauer des Metalls an der Luft. Innerhalb des Überführens des Metalls kommt es bereits zu einer Abgabe von Wärme an die Umgebung. Aus diesem Grund sollte die Dauer des Transfers möglichst gering gehalten zu werden. Eine sinnvolle Abschätzung der beiden oben genannten Fehler erscheint nicht möglich.

Da sich die Mischungstemperatur nicht instantan einstellt, sondern ein wenig Zeit benötigt, erfolgt somit bereits vor Erreichen der Mischungstemperatur ein Wärmeaustausch mit der Umgebung. Dieser Fehler ist aufgrund der obig bereits diskutierten Fehlerquellen zu vernachlässigen.

Sicherheitshinweise

  • Es wird ein Bunsenbrenner verwendet, d.h. Es wird mit offener Flamme gearbeitet. Daher ist darauf zu achten, dass kein Kontakt mit der Flamme entsteht.
  • Siedendes Wasser kann zu Verbrennungen führen
  • Die metallenen Objekte nicht direkt berühren (Verbrennungsgefahr)

Literatur

Bitte führen Sie die von Ihnen im Text angeführten Quellen an. Allgemeine Quellen, die Sie zwar gelesen haben, aber auf die Ihr Text keinen Bezug nimmt, sind nicht anzuführen. Das Quellenmanagement im Wiki finden Sie unter Hilfe:Quellenangaben.

  1. Demtröder,W. (2014): Experimentalphysik 1 - 7.Auflage: Mechanik und Wärme ; Springer Spektrum
  2. Kircher, E. (Hrsg.)(2013): Physikdidaktik, Theorie und Praxis - 3.Auflage; Springer Spektrum
  3. Schmeinck,D. (2004): Forschungen zu Lernvoraussetzungen von Grundschulkindern; Karlsruher pädagogische Studien 3
  4. https://www.berlin.de/imperia/md/content/sen-bildung/schulorganisation/lehrplaene/sek1_physik.pdf?start&ts=1150101938&file=sek1_physik.pdf [Letzter Zugriff: 30.9.2016, 17:33 Uhr]
  5. Demtröder,W. (2014): Experimentalphysik 1 - 7.Auflage: Mechanik und Wärme ; Springer Spektrum