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Joulesche Wärme

SchulversuchElektrizitätslehreKlasse 8Fortgeschritten

Worum geht es?

Jeder stromdurchflossene Widerstand wird warm: vom Toaster über die Herdplatte bis zur unerwünscht warmen Zuleitung. Diese joulesche ist die in Wärme umgewandelte elektrische . Das macht die Umwandlung quantitativ: Eine Heizwendel gibt eine berechenbare elektrische Energie an Wasser ab, und die Temperaturerhöhung des Wassers verrät, wie viel davon als Wärme ankommt.

Warum macht man dieses Experiment?

Dieser Versuch verbindet zwei Kapitel der Physik zu einem Kreis: Die elektrische (E=UItE = U I t) aus der Elektrizitätslehre und die (Q=cmΔTQ = c m \Delta T) aus der Wärmelehre messen dieselbe Größe auf zwei Wegen. Stimmen beide Rechnungen überein, ist das ein starker experimenteller Beleg für die Energieerhaltung, und nebenbei das Funktionsprinzip von Wasserkocher, Boiler und Tauchsieder.

Die physikalische Idee

Die Elektronen geben ihre im Feld gewonnene durch Stöße an das Gitter des Widerstandsdrahts ab: Der Draht wird heiß. Taucht der Draht in Wasser, heizt er es. Elektrisch lässt sich die abgegebene Energie aus UU, II und tt berechnen; thermisch aus , Wärmekapazität und Temperaturerhöhung des Wassers. Der Vergleich beider Werte ist die Energiebilanz.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

James Prescott Joule zeigte in den 1840er Jahren mit Versuchen genau dieses Typs, dass eine Energieform ist und mechanische wie elektrische in sie umgewandelt werden: eine tragende Säule des Energieerhaltungssatzes. Die SI-Einheit der Energie trägt seinen Namen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Elektrische Energie in Wärme umwandeln

Prüfe die Energiebilanz: Findet sich die elektrisch zugeführte UItU I t als cmΔTc m \Delta T im Wasser wieder?

Gemessen

  • — Spannung (in )

    An der Heizwendel gemessen.

  • — Stromstärke (in )

    Durch die Heizwendel gemessen.

  • — Heizzeit (in )

    Mit der Stoppuhr erfasst.

  • — Temperaturerhöhung (in )

    Differenz aus End- und Anfangstemperatur des Wassers.

  • — Wassermasse (in )

    Mit der Waage bestimmt (hier 0,100 kg).

Berechnet

  • — Elektrisch zugeführte Energie (in )

    Aus UU, II und tt: die eine Seite der Bilanz.

  • — Vom Wasser aufgenommene Wärme (in )

    Aus cc, mm und ΔT\Delta T: die andere Seite der Bilanz.

Konstante

  • — Spezifische Wärmekapazität des Wassers (in )

    Literaturwert c≈4190 J/(kg⋅K)c \approx 4190\ \mathrm{J/(kg \cdot K)}; die eigene Bestimmung ist ein eigenes Experiment der Wärmelehre.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Elektrische Seite der Bilanz: die von der Quelle in die Wendel gesteckte Energie.Zur Formelsammlung
  • Thermische Seite: die im Wasser angekommene Wärme (Grundgleichung der Wärmelehre).

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Erwärme 100 g100\ \mathrm{g} Wasser fünf Minuten lang mit einer Heizwendel bei 6 V6\ \mathrm{V}. Berechne die elektrisch zugeführte und die vom Wasser aufgenommene , und vergleiche beide.

2Vorbetrachtung

Die Bilanzidee: Dieselbe Energiemenge wird auf zwei unabhängigen Wegen bestimmt. Elektrisch zählen die Messgeräte, was die Quelle liefert; thermisch zählt das Thermometer, was im Wasser ankommt. Wenn erhalten bleibt und (fast) nichts am Wasser vorbeigeht, müssen beide Zahlen (fast) übereinstimmen.

Vorhersage der Erwärmung: Mit U=6 VU = 6\ \mathrm{V}, erwartetem I=2 AI = 2\ \mathrm{A} und t=300 st = 300\ \mathrm{s} werden E=3600 JE = 3600\ \mathrm{J} zugeführt. Kommt alles im Wasser an, steigt dessen um

ΔT=Ec⋅m=3600 J4190 Jkg K⋅0,100 kg≈8,6 K\Delta T = \frac{E}{c \cdot m} = \frac{3600\ \mathrm{J}}{4190\ \tfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg\,K}} \cdot 0{,}100\ \mathrm{kg}} \approx 8{,}6\ \mathrm{K}

Real wird etwas weniger erwartet: Ein Teil der heizt Gefäß, Wendel und Raumluft.

3Geräte / Stoffe

Vollständiger Aufbau mit Kalorimeter. Die Wassermasse vorher wiegen (100 g); das Thermometer darf die Wendel nicht berühren, sonst misst es die Wendel- statt der Wassertemperatur.

  • Heizwendel / Tauchsieder für Kleinspannung

    Wandelt elektrische in und gibt sie ans Wasser ab.

  • Kalorimeter (wärmegedämmtes Gefäß)

    Hält die erzeugte beim Wasser, statt sie an den Raum zu verlieren: entscheidend für die Bilanz.

  • Thermometer (0,1 K Auflösung)

    Misst die Temperaturerhöhung ΔT\Delta T, die thermische Seite der Bilanz.

  • Amperemeter, Voltmeter, Stoppuhr

    Liefern die elektrische Seite der Bilanz: U, I und t.

  • Waage

    Bestimmt die Wassermasse.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Schnittzeichnung: Kalorimetergefäß mit Wasser, eingetauchte Heizwendel, Thermometer (mit Abstand zur Wendel), außen die Messschaltung mit Ampere- und Voltmeter.

Ein Tauchsieder bzw. eine Heizwendel hängt in einem wärmegedämmten Becherglas (Kalorimeter) mit 100 g100\ \mathrm{g} Wasser. In der Zuleitung liegt das Amperemeter, parallel zur Wendel das Voltmeter; ein Thermometer misst die Wassertemperatur, die Stoppuhr die Heizzeit.

5Durchführung

Schritt 1: 100 g100\ \mathrm{g} kaltes Wasser einfüllen, Anfangstemperatur ablesen (z. B. 20,0 ∘C20{,}0\ ^\circ\mathrm{C}).

Schritt 2: Heizen starten und gleichzeitig die Stoppuhr; UU und II ablesen und während der Messung kontrollieren.

Schritt 3: Wasser gelegentlich vorsichtig umrühren (gleichmäßige ). Nach 300 s300\ \mathrm{s} abschalten.

Schritt 4: Nach dem Abschalten kurz weiterrühren und die höchste erreichte Temperatur ablesen.

6Beobachtung

Messwerte des Heizversuchs
GrößeMesswert
UU6,0 V6{,}0\ \mathrm{V}
II2,0 A2{,}0\ \mathrm{A}
tt300 s300\ \mathrm{s}
mm (Wasser)0,100 kg0{,}100\ \mathrm{kg}
Anfangstemperatur20,0 ∘C20{,}0\ ^\circ\mathrm{C}
Endtemperatur28,2 ∘C28{,}2\ ^\circ\mathrm{C}

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Schritt 1: Elektrische Seite.

E=U⋅I⋅t=6,0 V⋅2,0 A⋅300 s=3600 JE = U \cdot I \cdot t = 6{,}0\ \mathrm{V} \cdot 2{,}0\ \mathrm{A} \cdot 300\ \mathrm{s} = 3600\ \mathrm{J}

Schritt 2: Thermische Seite. ΔT=28,2−20,0=8,2 K\Delta T = 28{,}2 - 20{,}0 = 8{,}2\ \mathrm{K}:

Q=c⋅m⋅ΔT=4190 Jkg K⋅0,100 kg⋅8,2 K≈3440 JQ = c \cdot m \cdot \Delta T = 4190\ \tfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg\,K}} \cdot 0{,}100\ \mathrm{kg} \cdot 8{,}2\ \mathrm{K} \approx 3440\ \mathrm{J}

Schritt 3: Bilanz. Im Wasser angekommen sind 34403440 von 3600 J3600\ \mathrm{J}, also rund 96 %96\ \%. Die fehlenden 4 %4\ \% passen zur Erwartung: Gefäß und Wendel wurden mitgeheizt, etwas entwich. Innerhalb dieser erklärbaren Verluste bestätigt der Versuch die Energieerhaltung: Elektrische wird vollständig, messbar und vorhersagbar zu Wärme.

8Fazit

Von 3600 J3600\ \mathrm{J} elektrischer kommen 3440 J3440\ \mathrm{J} (rund 96 %96\ \%) als im Wasser an; der Rest heizt nachvollziehbar die Umgebung. Die joulesche Wärme ist die vollständig in Wärme umgewandelte elektrische Energie.

9Fehlerbetrachtung

Alle wichtigen Fehler dieses Versuchs wirken in dieselbe Richtung: Sie lassen die thermische Seite zu klein erscheinen.

Wärmeverluste an Gefäß und Umgebungeher systematisch

Ursache

Ein Teil der heizt Kalorimeterwand, Wendel und Luft statt das Wasser.

Auswirkung

QQ fällt systematisch einige Prozent kleiner aus als EE; der Fehlbetrag wächst mit der Versuchsdauer und der Temperaturdifferenz zum Raum.

Verbesserung

Gut gedämmtes Gefäß, kurze Heizzeit, Start nahe der Raumtemperatur (dann fließt anfangs sogar minimal hinein und der Verlust kompensiert sich teilweise).

Ungleichmäßige Wassertemperatureher zufällig

Ursache

Ohne Rühren schichtet sich das Wasser: oben warm, unten kalt.

Auswirkung

Je nach Thermometerposition wird ΔT\Delta T zu groß oder zu klein gemessen; der Bilanzvergleich wird unzuverlässig.

Verbesserung

Regelmäßig rühren, Endtemperatur erst nach dem Durchmischen ablesen.

Schwankende Heizleistungeher systematisch

Ursache

Die Wendel ändert ihren Widerstand leicht mit der ; U und I driften während der Messung.

Auswirkung

E=UItE = U I t mit den Anfangswerten gerechnet trifft die tatsächlich gelieferte nur näherungsweise.

Verbesserung

U und I mehrmals während der Messung notieren und Mittelwerte verwenden.

Das Wichtigste

Umwandlung

Im Widerstand wird elektrische vollständig zu : E=U⋅I⋅tE = U \cdot I \cdot t.

Bilanzmethode

Dieselbe thermisch: Q=c⋅m⋅ΔTQ = c \cdot m \cdot \Delta T. Der Vergleich beider Rechnungen prüft die Energieerhaltung experimentell.

Verluste einordnen

Kommt thermisch etwas weniger an als elektrisch hineingesteckt, ist keine „verschwunden“: Sie hat Gefäß und Raum geheizt statt das Wasser.

Alltag

Erwünscht in Wasserkocher und Herdplatte, unerwünscht in Leitungen: Deshalb überträgt das Stromnetz mit hoher und kleinem Strom.

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