Kalorimeter

  1. Herleiten einer Gleichung 2. Unterschied Wärmekapazität, die Wärmemenge, die man einem Körper zuführen muß, um seine Temperatur auf einer bestimmten Temperaturstufe um 1K zu erhöhen. Die Wärmekapazität hängt also von der gerade herrschenden Temperatur ab. Sie ist das Produkt aus spezifischer Wärme und Masse des Körpers. Spezifische Wärmekapazität, die Wärme, die nötig ist, um ein Gramm eines Stoffes um 1K zu er-wärmen.

Wirkt bei der Erwärmung ein äußerer Druck auf den Körper so muß Arbeit geleistet werden, wenn sich der Körper ausdehnt. Dazu wird ein Teil der zugeführten Wärme verbraucht. Man muß also bei Volumenvergrößerung mehr Wärme zuführen, um eine bestimmte Temperaturerhöhung zu er-reichen. Werden zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen in Berührung gebracht, erfolgt ein Wärme- austausch, dabei gibt der Körper mit der höheren Temperatur so viel Wärme ab, wie der Körper tieferer Temperatur aufnimmt. Bei der Anwendung von Mischungsregeln ist zu beachten, daß alle an der Mischung beteitigten Körper, einschließlich Gefäßen wie z.B.

Kalorimeter, berücksichtigt werden. Trotz Wärmeisolation existiert immer ein Wärmestrom in das Kalorimeter hinein beziehungsweise aus ihm heraus. Die störenden Wärmemengen müssen betragsmäßig gleich groß werden, um den Fehler gering zu halten. Dies wird erreicht durch kaltes Wasser und messen des Wärmestroms in das Kalorimeter (Vorperiode) 3. Bestimmung der Kalorimeterkonstanten K Zur Bestimmung von K wird eine Menge heißen destillierten Wassers (Masse m2, Temperatur T2) mit einer im Kalorimeter befindlichen Menge kalten Wassers (m1, T1) gemischt. Es stellt sich dann ein Wärmegleichgewicht bei der Mischungs­temperatur Tm ein.

Da die vom heißem Wasser abgegebene Wärmemenge Q gleich (2)               Q = m2 · cw · (T2  Tm)                         m1   m2; T2  40°C; m1  200g ist, ergibt sich Gleichung (1) zu (3)               m2 · cw · (T2  Tm) m1 · cw · (Tm  T1) K · (Tm - T1) woraus sich K berechnen läßt. (4)               cw = 4,187 JgK  wird in diesem Temperaturbereich als konstant angenommen. Mißt man die Temperatur des Wassers im Kalorimeter  -       vor dem Mischungsvorgang (über 5 min alle 30 s)  -       während des Mischungsvorganges (möglichst schnell gießen, alle 5 s)  -       nach dem Prozeß (über 5 min alle 30 s) so ergäbe sich bei einem idealen Kalorimeter der in der Abb. 2a dargestellte zeit­liche Verlauf. Da jedoch ein geringer Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet, fällt die Temperatur nach dem Mischungsvorgang ab (Abb. 2b).

Dabei ist angenommen, daß die Temperatur T1 der Raumtemperatur TR entspricht.                                           Abb. 2a                               Abb. 2b   Abb. 2 : Temperaturverlauf beim Mischungsvorgang in einem idealen (2a) und in einem verlustbehafteten Kalorimeter (2b).   Zur Ermittlung der Mischungstemperatur verfährt man dann  so, wie in der Abbildung (Abb.

2b) angegeben ist (Fläche A1=Fläche A2). Dieser Bestimmung von Tm liegt die Annahme zugrunde, daß der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft durch eine konstante Wärmeübergangszahl beschrieben werden kann. Beim Eingießen und Umrühren achte man darauf, daß sich an der Innenwand keine Tropfen bilden, da deren Masse miterfaßt wird, sie aber nicht zum Wärmeausgleich beitragen. Die Masse m1 und m2 des kalten und des heißen Wassers bestimmt man am besten durch Wägung des Kalorimeters (mit Thermometer und Rührer!) im leeren Zustand, nach Einfüllen des kalten Wassers und mit der gesamten Wassermenge nach Abschluß des Mischungsvorganges. Die Bestimmung von K ist dreimal durchzuführen. Anschließend werden Mittelwert  und Standardabweichung s bestimmt.

Für die weiteren Versuche verwenden Sie  als Kalorimeterkonstante.   4. Der Wirkungsgrad eines Gerätes, einer Anlage oder eines Lebewesens gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. Formelzeichen:Einheit: 1 oder in Prozent (%) Der Wirkungsgrad ist damit ein Maß für die Güte der Energieumwandlung bzw. ein Maß für den Grad der Nutzbarkeit der zugeführten Energie. Er ist immer kleiner als 1 bzw.

kleiner als 100 %.   Berechnen des WirkungsgradesDer Wirkungsgrad kann mit folgenden Gleichungen berechnet werden: Da die nutzbringende (nutzbare) Energie, Arbeit oder Leistung stets kleiner ist als die aufgenommene (zugeführte) Energie, Arbeit oder Leistung, ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1 bzw. kleiner als 100 %.  

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