Das Differentialkalorimeter ist ein nach außen abgeschlossenes System. Es besteht aus einem Kasten, der durch eine Styroporauskleidung an den Wänden wärmegedämmt ist. In ihm befindet sich ein Traggestell für das Becherglas, indem sich die Flüssigkeit befindet. Durch den oberen Deckel des Kastens führen zwei Thermometer in den Kasten, die so angebracht sind, dass ein Thermometer die Flüssigkeits- und das andere die Umgebungstemperatur im Kasten misst.
1. Ein Becherglas wurde mit einer bestimmten Masse (hier 40g) Wasser gefüllt. Die Masse wurde mittels Wägung bestimmt.
2. Das Becherglas mit Wasser wurde in einem Wasserbad auf ca. 50°C (323K) erhitzt. Dabei wurde zur Vermeidung von Verdunstungsverlusten das Becherglas mit einem Stopfen verschlossen.
3. Danach wurde das Becherglas mit dem Wasser in den Isolierkasten des Kalorimeters eingebracht. Anschließend wurde in Abständen von 1 Minute in einem Zeitraum von 20 Minuten die Temperaturen der Flüssigkeit und der im Kasten eingeschlossenen Luft gemessen.
4. Nach Abschluss der Messung mit Wasser, wurde die oben genannte Prozedur mit Isopropanol durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung
2. Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung
3. Meßinstrumente und Zubehör
4. Physikalische Grundlagen
4.1 Allgemeines
4.2 Kalorimeter
5. Messergebnisse
5.1 Referenzflüssigkeit Wasser
5.2 Referenzflüssigkeit Isopropanol
6. Auswertung
6.1 Bestimmung von ∆TW (Wasser)
6.2 Bestimmung von ∆TF (Isopropanol)
6.3 Bestimmung der Werte für die halblogarithmische Darstellung
6.3.1 Wasser
6.3.2 Isopropanol
6.3.3 Berechnung der Fehlerbalken
7. Diagramme
7.1 Temperatur als Funktion der Zeit
7.2 Halblogarithmische Darstellung über die Zeit
8. Berechnung von cF
9. Fehlerberechnung
10. Diskussion / Kommentar
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die spezifische Wärmekapazität einer Flüssigkeit durch den experimentellen Vergleich der Abkühlgeschwindigkeiten gegenüber einer bekannten Referenzflüssigkeit zu bestimmen. Dabei steht die Anwendung der Differentialkalorimetrie im Vordergrund.
- Grundlagen der Differentialkalorimetrie
- Experimentelle Bestimmung von Temperaturverläufen
- Mathematische Modellierung von Abkühlprozessen
- Fehleranalyse und Berechnung von Wärmekapazitäten
Auszug aus dem Buch
2. Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung
Das Differentialkalorimeter ist ein nach außen abgeschlossenes System. Es besteht aus einem Kasten, der durch eine Styroporauskleidung an den Wänden wärmegedämmt ist. In ihm befindet sich ein Traggestell für das Becherglas, indem sich die Flüssigkeit befindet. Durch den oberen Deckel des Kastens führen zwei Thermometer in den Kasten, die so angebracht sind, dass ein Thermometer die Flüssigkeits- und das andere die Umgebungstemperatur im Kasten misst.
1. Ein Becherglas wurde mit einer bestimmten Masse (hier 40g) Wasser gefüllt. Die Masse wurde mittels Wägung bestimmt.
2. Das Becherglas mit Wasser wurde in einem Wasserbad auf ca. 50°C (323K) erhitzt. Dabei wurde zur Vermeidung von Verdunstungsverlusten das Becherglas mit einem Stopfen verschlossen.
3. Danach wurde das Becherglas mit dem Wasser in den Isolierkasten des Kalorimeters eingebracht. Anschließend wurde in Abständen von 1 Minute in einem Zeitraum von 20 Minuten die Temperaturen der Flüssigkeit und der im Kasten eingeschlossenen Luft gemessen.
4. Nach Abschluss der Messung mit Wasser, wurde die oben genannte Prozedur mit Isopropanol durchgeführt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Aufgabenstellung: Definition der Zielsetzung zur Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität mittels Differentialkalorimetrie.
2. Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung: Beschreibung der apparativen Anordnung des Differentialkalorimeters und des systematischen Ablaufs der Messreihen für Wasser und Isopropanol.
3. Meßinstrumente und Zubehör: Auflistung der verwendeten Hard- und Softwarekomponenten inklusive Spezifikation der Toleranzbereiche.
4. Physikalische Grundlagen: Erläuterung der theoretischen Zusammenhänge von Wärmeübertragung, Abklingkurven und der mathematischen Herleitung zur Bestimmung von Wärmekapazitäten.
5. Messergebnisse: Dokumentation der erhobenen Temperaturdaten für die Referenzflüssigkeit Wasser sowie für Isopropanol.
6. Auswertung: Detaillierte tabellarische Analyse der Temperaturdifferenzen und Vorbereitung der Daten für die halblogarithmische Darstellung.
7. Diagramme: Visuelle Darstellung der Temperaturverläufe über die Zeit zur Ableitung der notwendigen Steigungswerte.
8. Berechnung von cF: Durchführung der numerischen Berechnung der spezifischen Wärmekapazität basierend auf den ermittelten Geradensteigungen.
9. Fehlerberechnung: Anwendung der Methode des totalen Differentials zur quantitativen Bestimmung der Fehlerfortpflanzung und Ungenauigkeit.
10. Diskussion / Kommentar: Reflexion über den Versuchsaufwand, praktische Erfahrungen bei der Durchführung sowie eine kritische Nachbetrachtung der Auswertung.
Schlüsselwörter
Differentialkalorimetrie, spezifische Wärmekapazität, Abkühlgeschwindigkeit, Wärmetransport, Kalorimeter, physikalisches Praktikum, Temperaturverlauf, Referenzflüssigkeit, Wasser, Isopropanol, Fehlerrechnung, Thermodynamik, Abklingkoeffizient, Wärmekapazität, Messreihe
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der experimentellen Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit durch einen Vergleichsprozess im Differentialkalorimeter.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die Thermodynamik von Abkühlvorgängen, die praktische Kalorimetrie und die statistische Fehleranalyse physikalischer Messdaten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die experimentelle Ermittlung der spezifischen Wärmekapazität von Isopropanol durch das Verhältnis der Abkühlraten im Vergleich zu Wasser als Referenz.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird die Methode der Differentialkalorimetrie angewandt, bei der die zeitliche Änderung der Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Umgebung analysiert wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst den Versuchsaufbau, die physikalischen Grundlagen der Wärmeübertragung, die Erfassung der Messdaten sowie die anschließende mathematische Auswertung und Fehlerrechnung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Besonders prägend sind Begriffe wie Wärmekapazität, Abkühlgeschwindigkeit, Kalorimeter, Messgenauigkeit und die Differenzialgleichungen der Abklingkurven.
Warum wurde Wasser als Referenzflüssigkeit gewählt?
Wasser dient als standardisierte Referenzflüssigkeit, da seine spezifische Wärmekapazität sowie seine thermischen Eigenschaften sehr genau bekannt und reproduzierbar sind.
Wie wurde der Fehler der spezifischen Wärmekapazität ermittelt?
Der Fehler wurde rechnerisch durch das totale Differential bestimmt, um den Einfluss der Messungenauigkeiten bei der Masse und den gemessenen Anstiegen der Temperaturkurven zu berücksichtigen.
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- Dipl.-Ing. (FH) Tobias Purschke (Autor), B. Höber (Autor), 2003, Spezifische Wärme von Flüssigkeiten, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19281
