DIE FILES DÜRFEN NUR FÜR DEN EIGENEN GEBRAUCH BENUTZT WERDEN. DAS COPYRIGHT LIEGT BEIM JEWEILIGEN AUTOR.

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2 Physiklabor 2 Michel Kaltenrieder 9. Februar 2004 Themen: 1 Spezifische Wärmekapazität von Wasser 2 2 Latente Verdampfungswärme von Wasser 4 3 Die Wärmepumpe 7 4 Energie und Wirkungsgrad diverser Kochsysteme 10 5 Bilderverzeichniss 11

3 1 Spezifische Wärmekapazität von Wasser 1.1 Theorie Die Spezifische Wärmekapazität gibt an, wieviel Wärmeenergie man einem Stoff zuführen muss, um seine Temperatur um einen bestimmten Betrag zu erhöhen. Beim folgenden Versuch wird Wasser mit einem Widerstandsdraht erhitzt. Auf diese Weise wird die elektrische Energie in U I Wärme umgesetzt: R In der obigen Gleichung wird die an die Luft abgegebene Wärme (Verlust) nicht berücksichtigt. Man geht davon aus, dass dieser Wärmeverlust vernachlässigbar ist, da die Temperaturdifferenz relativ klein bleibt. Abbildung 0: Aufbau Laut der obenstehenden Formel nehmen nur Wasser und Alu-Becher Wärmeenergie auf. Der Becher ist von einer durch den äusseren Becher geschützte Luftschicht umgeben und steht auf einem Sagex-Ring. Luft sowohl als auch Sagex sind sehr gute Wärmeisolatoren. Man kann also davon ausgehen, dass die Verlustwärme vernachlässigbar klein sein wird. Bemerkung: Während dem Erwärmen, erhitzt sich das Wasser unmittelbar um dem Draht und steigt in die oberen Schichten auf. Es entsteht eine Konvektion. Diese ist aber für unsere Messung zu langsam und würde die Messresultate verfälschen. Aus diesem Grund muss das Wasser ständig umgerührt werden. 1.2 Messresultate Spannung U: 8.90 Strom I: 2.90 Masse des Wassers : Masse des Alu-Bechers : Spezifische Wärmekapazität des Alu-Bechers : Start-Temperatur : Februar 2004

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5 1.3 Diskussion der Resultate / Fehler Die grosse Abweichung während den ersten 3 Minuten kann auf unzureichendes umrühren zurückgefürht werden. Anschliessend nähern sich die Messresultate dem gesuchten Wert von und 11. Minute beträgt der Unterschied sogar weniger als 1%.. Während der Mit zunehmendem Temperaturunterschied zwischen Wasser und Umgebung, steigt die Abweichung nach einer Viertelstunde jedoch immer mehr an. Es entsteht ein Wärmefluss vom Wasser in die Luft Energieverlusst. Der Wäremefluss ist abhängig vom zwischen Wasser und Luft. Der Wärmeverlust steigt also mit steigender Temperatur des Wassers. 2 Latente Verdampfungswärme von Wasser 2.1 Einführung Das Ziel dieses Versuchs ist es die latente Verdampfungswärme für Wasser zu bestimmen. Sie entspricht der Wärmeenergie die eingespiesen werden muss damit das Wasser eine Zustandsänderung erfährt (Flüssig Gasförmig), oder auch die Energie die freigesetzt wird als der Zustand von Gasförmig auf Flüssig hinübergeht. 2.2 Theorie Sobald der Dampf ins kühlere Wasser gelangt, gibt er seine Wärmeenergie dem Wasser ab. Es findet ein Energieaustausch statt, bis die Gleichgewichtstemperatur zwischen Dampf und Wasser erreicht ist. D.h. der 100-grädige Dampf kondensiert. Die durch den Verflüssigungsprozess (Zustandsänderung) freigegebene Wärmeenergie wird als latente Verdampfungs- Dampf wärme bezeichnet. Während dieser Zeit verändert sich die Temperatur des Dampfes nicht. Aus 100-grädigem Dampf wird 100-grädiges Wasser. Dieses gibt seine Wärme weiter ab, bis zwischen beiden Flüssigkeiten die gleiche Temperatur herrscht. Es entsteht ein Temperatur-Gleichgewicht. Mit den beiden Phasen (kondensieren & abkühlen) wird das Wasser im Alu- Becher und der Becher selbst erwärmt. Es entsteht folgender Energieerhaltungssatz: Dampf erzeuger Abbildung 0: Aufbau Februar 2004

6 2.3 Messresultate Luftdruck p: Masse des Wassers : Masse des Alu-Bechers : Spezifische Wärmekapazität des Alu-Bechers : Spezifische Wärmekapazität des Wassers : Siede-Temperatur : Start-Temperatur : Februar 2004

7 2.4 Diskussion der Resultate / Fehler Alle Messwerte liegen deutlich unterhalb des gesuchten Wertes. Leider kann ich die Fehlerquelle nicht eruieren. Temperaturanstieg und Massenzunahme des Wassers weisen plausible Werte auf. Mögliche Fehlerquellen: Das Rohr indem der Dampf zirkuliert ist nicht isoliert. Da das zwischen Luft und dem Dampf im Rohr sehr gross ist, wird hier viel Energie verloren. Das war deutlich zu sehen da das Rohr voll Kondenswasser war. Das ganze Wasser das im Rohr kondensiert und dort gefangen bleibt erwärmt das Wasser im Behälter nicht, und erhöht auch seine masse nicht. Das ist also Energie die verloren geht Februar 2004

8 3 Die Wärmepumpe 3.1 Einführung In diesem Abschnitt wird das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe erläutert. Ebenfalls werden Energiegewinn sowie Leistungsverbrauch der Wärmepumpe der EIF ermittelt. 3.2 Theorie Die Wärmepumpe transportiert Wärmeenergie von einer Umgebung in eine andere. Dazu entzieht diese mit Hilfe einer Sonde Bodenwärme. Luft oder durch die Sonne erhitztes Wasser (Sonnenkollektor) können ebenfalls von der Sonde als Wärmequellen genutzt werden. Diese Quellen erwärmen ein Gas, welches in einem geschlossenen Kreislauf von der Pumpe aus durch die Sonde fliesst. Das erwärmte Gas wird mit einem elektrischen Kompressor in den flüssigen Zustand verdichtet. Das komprimierte Gas wird dann durch einen Wärmetauscher (oder einen Heizkörper) geleitet. Dieser strahlt die gewonnene und durch die Kompression verstärkte Wärmeenergie in die Ziel-Umgebung ab. Die Flüssigkeit wird abgekühlt. Auf dem Abbildung 0: Prinzip der Wärmepumpe Weg zurück zur Sonde wird die Flüssigkeit zuerst durch einen Verdampfer gepresst, verdampft und kühlt sich dabei stark ab. Die wärmere Sonde heizt das Gas erneut auf. So ist der Kreislauf wieder geschlossen. Als Ziel-Umgebung kommen Wohnräume sowohl als auch Boiler in Frage. 3.3 Messresultate Aufgenommene elektrische Energie: Spannung: V Strom: 0.85 A Leistung: W Phasenverschiebung: Februar 2004

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10 3.4 Diskussion der Resultate / Fehler Aus der Temperaturgrafik entnimmt man, dass das kühlende Wasser (blau) sich gleich schnell abkühlt wie sich das warme (rot) erwärmt. Man kann also sagen, dass die Pumpe die gesamte entzogene Wärmeenergie vom einen Behälter in den anderen transportiert hat. Durch die Wärmepumpe verursachte Energieverluste werden durch den elektrischen Stromverbrauch kompensiert. Während den ersten 5 Minuten sinkt der Wirkungsgrad drastisch ab. Das noch nicht zirkulierende Gas wird viel stark erwärmt und erzeugt somit einen grossen Wirkungsgrad. Nachdem sich die Zirkulation eingependelt hat, wird die Kurve sofort flacher und nimmt nur wenig, wenn auch kontinuierlich, ab. Der Wirkungsgrad stabilisiert sich bei ca Bemerkung: Liesse man das Experiment weiter laufen, so würde sich das kalte Wasser dem Gefrierpunkt nähern. Das aber nun zurücklaufende, kältere Gas würde die Sonde unter 0 C abkühlen. Es käme zu einer Eisschicht, welche die Sonde einhüllen würde. Eis ist ein sehr guter thermischer Isolator und die Wärmepumpe könnte kaum mehr Energie aus dem Wasser ziehen Februar 2004

11 4 Energie und Wirkungsgrad diverser Kochsysteme 4.1 Einführung Es gibt verschiedene Kochsysteme, mit welchen man Nahrung erwärmen kann. In diesem Abschnitt wird das Erwärmen von Wasser mit den folgenden Methoden untersucht: Tauchsieder Herdplatte Keramikherd Induktionsherd Mikrowelle 4.2 Messresultate Für die diese Messungen wurden immer gleiche Wassermengen mit der gleichen Anfangstemperatur von 23 C verwendet Februar 2004

12 4.3 Diskussion der Resultate / Fehler Der Tauchsieder ist mit 73% das effizienteste Kochsystem. Er ist knapp doppelt so effizient wie die Herdplatte (36%) oder der Keramikherd (38%). Ein Grund ist, dass der Heizkörper des Tauchsieders direkt in das Wasser eingetaucht wird und so keine zusätzlichen Hüllen wie Herdplatte oder Pfanne erwärmen muss. 5 Bilderverzeichniss Abbildung 1: Aufgabenstellung: spez. Wärmekapazität von Wasser Abbildung 2: Aufgabenstellung: latente Verdampfungswärme von Wasser Abbildung 3: Michel Kaltenrieder Februar 2004