Volumenausdehnung von Flüssigkeiten (Artikelnr.: P )

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1 Volumenausdehnung von Flüssigkeiten (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Wärmelehre Unterthema: Wärmeausdehnung Experiment: Volumenausdehnung von Flüssigkeiten Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 30 Minuten 1 Schüler/Student Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Schlagwörter: Volumen, Wasser, Spiritus, Wärmeausdehnung, Temperatur Einführung Einleitung Flüssigkeiten verändern ihr Volumen in Abhängigkeit der Temperatur - dieser Effekt wird Wärmeausdehnung genannt. In diesem Versuch soll die Wärmeausdehnung von Wasser und Spiritus demonstriert werden. Dazu wird die Flüssigkeit in einem Erlenmeyerkolben mit Steigröhrchen im Wärmebad erwärmt. Es soll gezeigt werden, dass die Volumenausdehnungen beider Flüssigkeiten unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Aus der Messung lassen sich schließlich die Wärmeausdehnungkoeffizienten ableiten. Lernziel Die Veränderung der Temperatur einer Flüssigkeit hat eine Volumenänderung zufolge. Diese Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten wird durch folgende Formel beschrieben: Die Volumenänderung ist flüssigkeitsabhängig, somit ist der Ausdehungkoeffizient eine spezifische Eigenschaft der Flüssigkeit.

2 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Hafttafel mit Gestell, Demo Physik Klemmhalter, d = mm, auf Haftmagnet Maßstab für Demo-Tafel Zeiger für Demo-Tafel, 4 Stück Markierungspunkte für Demo-Tafel, 24 Stück Halter für Cobra4, magn Halter für Brenner, auf Haftmagneten Halter für Drahtnetz, auf Haftmagneten Drahtnetz mit Keramik, 160 x 160 mm Laborbecher (PP), niedrig, 100 ml Becherglas, BORO 3.3, 400 ml, niedrige Form Erlenmeyerkolben 100 ml, Weithals, SB Glasröhrchen, d = 8 mm, l = 375 mm, 1 aus 10 Stück Gummistopfen 26/32, 2 x Bohrung 7+2,5 mm Trichter, Oben-d = 50 mm, PP Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl, C Cobra4 Mobile-Link 2 inkl. Zubehör Digitale Großanzeige Butanbrenner mit Kartusche, 220 g Cobra4 Sensor-Unit 2 x Temperatur, NiCr-Ni Mikrospatellöffel, Stahl, l = Patentblau-V (Natriumsalz), 25 g Glycerin, 99%, 250 ml Ethanol, Lösemittel (Brennspiritus), 1 l Siedesteinchen, 200 g Cobra4 Display-Connect TX, Sender für die Benutzung des Cobra4 Mobile-Link mit Großanzeigen 27 Cobra4 Display-Connect RX, Empfänger für die Benutzung des Cobra4 Mobile-Link mit Großanzeigen Aufgaben Der Ausdehnungskoeffizient von Wasser und Spiritus soll ermittelt werden

3 Aufbau & Durchführung Aufbau Abb. 1: Materialien Für den Aufbau dienen die Abbildungen als Orientierung. 1. Der blaue Halter für den Brenner wird ganz unten auf die Tafel gesetzt, siehe Abb Der Halter für das Drathnetzt wird zwischen den markierten Höhen von 180cm und 240cm befestigt. Die genaue Höhe sollte später in Abhängigkeit von der Flammengröße eingestellt werden, damit sich kein Ruß auf der Unterseite des Drahtgitters ablagert. 3. Den Funkdisplay-Sender und danach die Temperaturmesseinheit auf den Cobra4 Mobile-Link stecken und die Einheit mithilfe der magnetischen Halterung an der Tafel befestigen. 4. Den Cobra4 Display-Connect Empfänger an die Großanzeige anschließen und diese oben an der Tafel befestigen. 5. Der Temperatursensor wird an die Temperaturmesseinheit angeschlossen. 6. Temperatursensor und Glasrohr werden mithilfe von Glycerin in den Gummistopfen geschoben. Der Temperaturfüher sollte sich später 1cm über dem Boden des Erlenmeyerkolbens befinden. 7. Der magnetische Klemmhalter für den Erlenmeyerkolben wird oberhalb der Halterung für das Becherglas angebracht. 8. Das leere 400ml Becherglas auf das Drahtgitter stellen. 9. Nun werden die Erlenmeyerkolben mit Wasser und Spiritus vorbereitet. Sie werden bis 5mm unterhalb des Randes mit den mit Patentblau gefärbten Flüssigkeiten befüllt. Dies entspricht einem Volumen von 130ml, was für die spätere Auswertung relevant ist. 10. Der Erlenmeyerkolben mit Wasser wird mit dem Stopfen samt Glasrohr und Temperatursensor verschlossen. Die Flüssigkeit steigt dabei ins Rohr. Luftblasen unter dem Stopfen und im Rohr sind zu vermeiden, da diese das Experiment beeinflussen können. Den Spiritus-Erlenmeyerkolben derweil beiseite stellen. 11. Der Stopfen wird soweit in den Erlenmeyerkolben gedrückt, bis die Flüssigkeit im Glasrohr ca. 10cm oberhalb des Stopfens steht. 12. Der Erlebmeyerkolben wird in den Klemmhalter gesetzt und soweit wie möglich ins Becherglas abgesenkt. 13. Das magnetische Lineal hinter dem Glasröhrchen abringen. 14. Das Becherglas vollständig mit Wasser auffüllen und wenige Siedesteinchen hineinwerfen. 15. Bei der Kabelführung Flammennähe vermeiden.

4 Abb. 2: Aufbau Durchführung 1. Den Ausgangspegel mit einem Folienstift auf dem Glasrohr kennzeichnen. Mit einem rechtwinkligen Dreieck kann der Pegel auf die Tafel projiziert und am Lineal mit einem blauen Pfeil markiert werden. 2. Die Ausgangstemperatur des Wassers notieren. 3. Den Bunsenbrenner zünden und unter kleiner Flamme das Wasserbad erwärmen. 4. In 5 C-Schritten zwischen 25 C und 70 C den Füllstand auf dem Glasrohr markieren und auf die Tafel projizieren. Zur veranschaulichung der Wärmeausdehung sollten die Markierungen in 10 C-Schritten auf der Tafel mit den magnetischen Markierungspunkten versehen und beschriftet werden C stellt den letzten Messwert dar, der Bunsenbrenner wird ausgeschaltet. 6. Der Erlenmeyerkolben wird aus der Klemmhalterung genommen. Hierbei ist aufgrund des heißen Wassers vorsicht geboten! Es wird empfohlen die Klemme vorsichtig zu öffnen und den heißen Erlenmeyerkolben weg von der Tafel herauszunehmen. Der Stopfen wird vorsichtig abgenommen. 7. Das noch heiße Wasserbad im Becherglas wird für den nachfolgenden Versuchsteil mit Spiritus benötigt. Es hat nun etwa eine Temperatur von 80 C und kühlt langsam ab. Messreihe mit Spiritus: 1. Nach Abschalten des Brenners ist eine Wartezeit von 5 bis 10 Minuten erforderlich, damit sich die Halterungen und das Wasserbad ausreichend abkühlen. 2. Den Stopfen samt Glasrohr und Temperatursensor in den Erlenmeyerkolben mit Spiritus drücken. Der auf dem Glasrohr vermekte Anfangspegel des Wassers sollte angestrebt werden. Weicht er davon ab, auch diesen Ausgangspegel mit dem Stift auf dem Glasrohr einzeichnen 3. Die Ausgangstemperaturemperatur des Spiritus wird notiert. 4. Den Erlenmeyerkolben mit Spiritus in das Wasserbad absenken. (Bemerke : Ist das Wasserbad zu heiß, z. B. direkt nach dem Ausschalten des Brenners, kann sich der Spiritus so weit ausdehen, dass er oben aus dem Rohr überläuft) Die Temperatur steigt zunächst schnell, später langsamer. Da der Temperatursensor langsamer reagiert als der Füllstand im Glasrohr, ist die Aufnahme eines Messwertes erst nach 5 min sinnvoll. 5. Bei einer Temperatur von z.b., 45 C den Pegel auf dem Glasrohr markieren und auf die Tafel projizieren. Zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Volumenausdehungen kann der Messwert auf der anderen Seite des Lineals markiert werden.

5 Beobachtungen & Auswertung Beobachtungen Spiritus dehnt sich unter Temperatureinfluss stärker aus als Wasser. Darüber hinaus wächst das Volumen von Wasser nicht linear zur Temperatur, was sich im zunehmenden Abstand der Messwerte zeigt. Dieser Effekt wird "Anomalie des Wassers" genannt.

6 Auswertung Die Auswertung wird anhand eines Musterbeispiels erläutert. Die Messergebnisse für Wasser sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet: Für Spiritus wurden folgende Werte gemessen: T [ C] [cm] 21,5 0,0 25,0 0,5 30,0 1,3 35,0 2,2 40,0 3,1 45,0 4,1 50,0 5,3 55,0 6,5 60,0 7,8 65,0 9,2 70,0 10,6 T in [ C] [cm] 21,5 0,0 45,0 14,8 1. Die allgemeine Formel zur Beschreibung der linearen Volumenausdehung durch Wärme wird herangezogen, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bestimmen: Dabei ist das Ausgangsvolumen und die Temperaturänderung. 2. Dazu muss zunächst die Pegeländerung in Bezug zur Volumenänderung gesetzt werden. Das Volumen im Glasrohr wird als Zylinder beschrieben: Der Innendurchmesser des Glasrohres lässt sich am genauesten durch Füllen und Auswiegen mit Wasser bestimmen (vgl. dazu Versuch WT 1.5). Eine Messung ergab =0,576 cm. Demnach entspricht = 1 cm einer Volumenänderung von 0,26 cm³. 3. Nun kann eine Formel für den Wärmeausdehnungskoeffizienten angeführt werden: 4. Da das Wasser kein lineares Ausdehungverhalten aufweist ("Anomalie des Wassers"), ist der Ausdehnungskoeffizient nicht konstant gegenüber der Temperatur. Aus der Messreihe können somit mehrere Ausdehungskoeffizienten in Abhängigkeit der Temperatur errechnet werden. Als Beispiel er hier zwischen T = 21,5 C und T = 30 C berechnet: Für Spiritus ergibt sich: 1/K 1/K Nachfolgend sind Literaturwerte für den Volumenausdehnungkoeffizienten von Wasser angegeben: T [ C] [ K ] 0-0, , , , , , , ,585