Physik – Wärmelehre – Wärmekapazität bestimmen

Wärmekapazität bestimmen

Versuchsvideo (ohne Ton)

Übungen

Übung 1

Übung 2

Für Lehrkräfte

Unterrichtsthema	Thermische Energie, Wärmekapazität, Heizen, Klima
Klassenstufen	9 bis 10
Wer experimentiert?	Schülerinnen und Schüler im Unterricht in Partner- oder Gruppenarbeit
Ziele und Kompetenzen	Die Schülerinnen und Schüler können: die spezifische Wärmekapazität von Wasser experimentell bestimmen. Messwerte mit Tabellenwerten vergleichen und Abweichungen interpretieren (Fehlerbetrachtung).

Vorausgesetzte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler kennen die physikalischen Größen Temperatur und spezifische Wärmekapazität. Sie können die elektrische Spannung sowie die elektrische Stromstärke in einem Stromkreis messen. 

Materialliste

je Versuchsgruppe:

• Kalorimeter
• 2 Experimentierkabel, schwarz, 25 cm
• Experimentierkabel, schwarz, 50 cm
• 2 Experimentierkabel, rot, 50 cm
• 2 Mini-Digital-Multimeter
• Klammer
• destilliertes Wasser
• Stromversorgungsgerät, 2 bis 12 V/3 A
• Messzylinder, Glas, HF, 250 ml
• Go Direct® Temperatursensor (GDX-TMP)
• Tablet

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Hinweise zur Vorbereitung

Alle Materialien (Geräte, Arbeitsblätter, Hilfeblätter, Protokollvorlagen) müssen für jede Versuchsgruppe bereitgestellt werden, zum Beispiel in Körben, auf Tabletts oder in Schalen.

Das Messen mit dem Sensor in Verbindung per Bluetooth zum Tablet ist für diesen Versuch optimal, da so das Rühren nicht behindert wird.

Das Kalorimeter muss mit destilliertem Wasser befüllt werden.

Wenn Sie weitere Flüssigkeiten (z.B. Speiseöl, Milch, Ethanol usw.) im Experiment einsetzen wollen, dann testen Sie diese im Vorfeld selbst aus. Generell sind die Sicherheitsvorschriften zu berücksichtigen. Auf giftige oder leicht brennbare Flüssigkeiten sollte nach Möglichkeit verzichtet werden. Bei Milch ist zu beachten, dass sie an der Heizwendel flockt. 

Hinweise zur Durchführung im Unterricht

Sollten nicht genügend Tablets mit Temperatursensor zur Verfügung stehen, können die Schülerinnen und Schüler Flüssigkeitsthermometer oder Multimeter mit Temperatursensor verwenden und eine Messreihe (Zeit und Temperatur) aufnehmen. In diesem Fall muss auch die Zeit zum Beispiel mit einer Stoppuhr oder einem Smartphone gemessen werden. Die Messungen können bei Partnerarbeit aufgeteilt werden. Die Rühreinrichtung des hier verwendeten Kalorimeters ist mit Fingerspitzengefühl zu bedienen, da sie etwas wacklig ist und sich leicht lösen kann. Bitte vorher ausprobieren.

Hinweise zur Auswertung

Die Ergebnissicherung erfolgt mit der Bearbeitung der Protokollseite und des editierbaren Arbeitsblatts zu diesem Versuch. Das Videos „Wärmekapazität bestimmen“ kann ebenfalls der Auswertung bzw. Zusammenfassung dienen. Die spezifische Wärmekapazität kann aus

\[ E\,=\ c \cdot m \cdot ΔT \] und \[ E\,=\ U \cdot I \cdot t \] durch Einsetzen und Umstellen zu

\[ c\,= \frac{U \cdot I \cdot t }{m \cdot ΔT} \] mithilfe der Versuchsergebnisse berechnet werden:

m = 0,150 kg

ΔT = 9,5 K

U = 5,2 V

I = 2,1 A

t = 600 s

\[ c\,= \frac{5,2\,V \cdot 2,1\,A \cdot 600\,s }{0,150\,kg \cdot 9,5\,K} \] 

\[ c\,= \frac{6,552\,kJ}{1,425\,kg\,\cdot\,K} \] 

\[ c\,= 4,6\,\frac{kJ}{kg\,\cdot\,K} \] 

Aus Tabellen kann man die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei 20 °C entnehmen:

\[ c\,= 4,18\,\frac{kJ}{kg\,\cdot\,K} \] 

Aus den ermittelten Werten für die spezifische Wärmekapazität c der Versuchsgruppen kann der Durchschnittswert berechnet und mit dem Tabellenwert verglichen werden. Die zu erwartende Abweichung bildet die Grundlage für eine Fehlerbetrachtung. Für Mischflüssigkeiten (z.B. Milch und Öle) wird der Referenzwert in Formelsammlungen für die spezifische Wärmekapazität als Bereich angegeben.

Downloads

(jeweils editierbare Worddateien)

Autor: Dr. Dietmar Karau