Kalorimetrie: Heißes und kaltes Mischen
1 · Vorhersagen
Ein heißer Aluminiumblock wird in kühleres Wasser geworfen. Steigt oder sinkt die endgültige Gleichgewichtstemperatur, wenn Sie einen größeren Aluminiumblock (mehr Masse) bei derselben Ausgangstemperatur verwenden?
- Ein größerer heißer Block erhöht die endgültige Gleichgewichtstemperatur.
- Ein größerer heißer Block senkt die endgültige Gleichgewichtstemperatur.
- Die Endtemperatur hängt nicht von der Masse des Aluminiumblocks ab.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset „Heiß-Kalt-Mischung“ und drücken Sie „Zurücksetzen“. 1 kg Wasser bei 290 K (Körper1) vermischt sich mit einem Aluminiumblock bei 400 K (Körper2).
- Aktivieren Sie die Anzeige der Gleichgewichtstemperatur.
- Stellen Sie die Masse des Aluminiumblocks für jeden Versuch ein und notieren Sie die Gleichgewichtstemperatur.
3 · Daten sammeln
| Aluminiummasse m₂ (kg) | Gleichgewichtstemperatur T_eq (K) |
|---|---|
| 0.30 | |
| 0.50 | |
| 0.80 |
Tragen Sie die Gleichgewichtstemperatur T_eq (y-Achse) gegen die Aluminiummasse m₂ (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch T_eq = (m₁c₁T₁ + m₂c₂T₂) / (m₁c₁ + m₂c₂) unter Verwendung von Wasser m₁ = 1 kg, c₁ = 4186 J/(kg·K), T₁ = 290 K und Aluminium c₂ = 900 J/(kg·K), T₂ = 400 K. Vergleichen Sie mit der Tabelle.
- Erklären Sie, warum eine Erhöhung der Masse des heißen Blocks die Gleichgewichtstemperatur erhöht, obwohl seine spezifische Wärme (900 J/(kg·K)) viel niedriger ist als die von Wasser (4186 J/(kg·K)).
5 · Vertiefen
- Wasser hat im Vergleich zu den meisten Materialien eine ungewöhnlich hohe spezifische Wärme. Erklären Sie, warum das Küstenklima tendenziell mildere Temperaturschwankungen aufweist als in Binnengebieten, und verwenden Sie dabei die gleiche Energiebilanzidee wie in diesem Experiment.
- Die vom Aluminiumblock abgegebene Wärme sollte genau der von Wasser aufgenommenen Wärme entsprechen (Energieerhaltung, unter der Annahme keiner Verluste an die Umgebung). Überprüfen Sie dies für einen Versuch mithilfe von Q = mcΔT für jeden Körper.
Die Physik hinter diesem Experiment
Kalorimetrische Gleichgewichtstemperatur
Wenn zwei Körper Wärme ohne Verluste an die Umgebung austauschen, bleiben sie bei einer gewichteten Durchschnittstemperatur stehen – gewichtet mit der Wärmekapazität jedes Körpers m·c, nicht nur mit seiner Masse.