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Abteilung Wärmelehre

Die Wärmelehre oder auch Thermodynamik ist die Lehre von der Energie, ihrer verschiedenen Erscheinungsformen und ihrer Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Die wichtigsten Aspekte sind dabei als Hauptsätze der Thermodynamik formuliert. Die Grundlagen der Thermodynamik entstanden aus der Arbeit mit Dampfmaschinen, aus denen sich später die uns heute bekannten Motoren entwickelt haben. Wichtige zu untersuchende Größen in der Wärmelehre sind Druck, Volumen und Temperatur, sowie verschiedene materialabhängige Koeffizienten.

Die Versuche der Abteilung Wärmelehre befinden sich im Gebäude S2/07 in den Räumen 103-106, 117, 151 sowie 164-165.

W3 – Luftdruck und Luftdichte

In diesem Versuch soll die aktuelle Luftdichte durch drei verschiedene, voneinander unabhängige Verfahren bestimmt werden. Man lernt den Umgang mit Geräten wie z.B. einem Barometer, Vakuumpumpen und einem U-Rohr Manometer kennen. Interessant ist dabei, dass jeweils unterschiedliche theoretische Voraussetzungen in die drei Messverfahren eingehen und so indirekt überprüft werden können, was natürlich eine kritische Bewertung experimenteller Daten erfordert. Zur Vorbereitung empfiehlt es sich, die barometrische Höhenformel, sowie die Hauptsätze der Thermodynamik, insebsondere den ersten Hauptsatz, zu verstehen.
Die Versuchsanleitung sollten Sie sorgfältig durcharbeiten. Zum besseren Verständnis finden Sie hier auch ein Papiermodell der Noniusskala, die beim Quecksilberbarometer Anwendung findet.

W5 – Thermoelektrizität (Wahlversuch)

Unter Thermoelektrizität versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Seebeck-Effekt (auch thermoelektrischer Effekt) und Peltier-Effekt beschreiben jeweils eine umkehrbare Wechselwirkung zwischen den beiden physikalischen Größen.

Bitte arbeiten Sie die Versuchsanleitung und ggf. das Merkblatt zur Kalorimetrie vorher durch. Weiterführende Informationen finden Sie im Dokument W+. Sie benötigen für diesen Versuch Millimeterpapier.

W7 – Dampfdruck von Wasser

Der Dampfdruck ist durch das dynamische Gleichgewicht zwischen ständigem Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit in einem abgeschlossenen Behälter gegeben. In diesem Versuch soll die Dampfdruckkurve von Wasser bestimmt werden, indem man den Druck vorgibt und ermittelt, bei welcher Temperatur sich das Gleichgewicht zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf einstellt. Mit Hilfe der Clausius-Clapeyron Gleichung wird schließlich die Verdampfungswärme bestimmt.

Arbeiten Sie vor Versuchsbeginn die Versuchsanleitung durch. Außerdem benötigen Sie in diesem Versuch Millimeterpapier und einfach-logarithmisches Papier (3 Dekaden). Für Interessierte: Beachten Sie auch die verfügbaren Zusatzinformationen (W+).

W8 – Spezifische Wärmekapazität fester Körper

Wieviel Wärme ein fester Körper aufnehmen kann, ist durch die spezifische Wärmekapazität festgelegt und stellt somit eine Materialkonstante dar, ist also nicht bei jedem Material gleich. In diesem Versuch sollen die spezifischen Wärmekapazitäten verschiedener fester Stoffe bestimmt werden. Dazu werden die Materialien erhitzt und dann in ein Wasserbad gegeben, an das sie ihre Wärme abgeben. Die Stichworte „Wärmekapazität“ und „Kalorimetrie“ sollte man sich vorab anschauen und klar machen. Des weiteren ist die Versuchsanleitung sowie das Merkblatt zur Kalorimetrie vor dem Versuch durchzuarbeiten. Außerdem benötigen Sie hier Millimeterpapier.

W9 – Adiabatenexponent von Luft, Kohlendioxid und Argon

Ziel des Versuchs: Eine Gassäule als elastisches Element wird ausgenutzt zur Bestimmung des Einflusses der Teilchenform und damit der Anzahl der thermodynamischen Freiheitsgrade auf die innere Energie von (nahezu) idealen Gasen.
Das vertikale Glasrohr kann über einen Gasmanipulator mit den drei verschiedenen Gasen gefüllt werden. Ein Aluminiumkolben gleitet in dem Rohr; er bildet den oberen Abschluss der Gassäule. Die Spule ist längs des Rohres verschiebbar, ein elektronischer Oszillator speist sie mit einem Strom wählbarer Frequenz. Der Kolben wird dadurch zu erzwungenen Schwingungen angeregt. Man notiert die Resonanzfrequenz als Funktion des Gasvolumens, während der Kolben langsam nach unten gleitet.
Bitte arbeiten Sie vor der Versuchsdurchführung die Versuchsanleitung durch und beachten Sie auch die Zusatzinformationen (W+). Außerdem benötigen Sie hier Millimeterpapier.

W10 – Wärmepumpe

Periodisch arbeitende thermodynamische Maschinen setzen Wärmeenergie in mechanische Arbeit um (Wärmekraftmaschine), oder können unter Aufwendung mechanischer Arbeit zum Heizen oder Kühlen verwendet werden (Kühlschrank, Wärmepumpe). Im vorliegenden Versuch sollen Sie eine reale Wärmepumpe hinsichtlich aufgewendeter Energie und umgesetzter Wärmemenge untersuchen und mit Werten des theoretischen Modells vergleichen. Dazu ist es hilfreich, sich die Stichworte „Hauptsätze der Thermodynamik“, „Carnotscher Wirkungsgrad“ sowie speziell die „Wärmepumpe“ anzuschauen und zu verstehen. Zusätzlich werden Sie mit einer Wärmebildkamera die Wärmeentwicklung an der Apparatur aufzeichnen. Dazu müssen Grundlagen zur Thermografie bekannt sein.

Die Versuchsanleitung und das Merkblatt zur Kalorimetrie enthalten noch weitere Punkte und sollten vorher gründlich durchgearbeitet werden. Außerdem ist die separate Bedienungsanleitung für die Wärmepumpe bei der Versuchsdurchführung hilfreich. Für diesen Versuch benötigen Sie weiterhin ein Enthalpiediagramm (Teil der Versuchsanleitung) sowie Millimeterpapier. Für Interessierte: Beachten Sie auch die verfügbaren Zusatzinformationen (W+).