Michael Barth

Umwandlung von Lageenergie in innere Energie mit der Whitingröhre

Zeichnung Versuch Röhre Deckel Metallschrot Loch
Versuchsaufbau der Whitingröhre

Michael Barth

Man kann in diesem Versuch eindrucksvoll spüren, wie viel mechanische Arbeit für relativ geringe Temperaturdifferenzen nötig ist. Auch wenn das natürlich dem schlechten Wirkungsgrad des menschlichen Körpers bei der Versuchsdurchführung geschuldet ist, kann die Lerngruppe einen Eindruck von der klimastabilisierenden Wirkung großer Wassermassen bekommen (zumal Wasser eine gut zehnmal so große spezifische Wärmekapazität wie Kupfer hat). Phasenübergänge vervielfachen diesen Effekt zusätzlich.
Material
  • Röhre, 70 – 100 cm lang, 4 – 8 cm Durchmesser, aus Pappe (Postverpackung Rolle) oder Kunststoff
  • elektronisches Thermometer mit dünnem, aber stabilem Temperaturfühler
  • Metallschrot (wird typischerweise für Mischungsversuche in der Wärmelehre verwendet, aus Aluminium oder Kupfer; auch Schrotkugeln aus Stahl sind geeignet)
Aufbau und Durchführung
Das Rohr wird an einem Ende mit einem Deckel verschlossen und dieser mit Paketklebeband gut verklebt. Das Metallschrot wird eingefüllt und die Länge Δh (die spätere Fallhöhe) gemäß Abbildung 1 ermittelt. Der zweite Deckel wird angebracht und ebenfalls mit Paketband verklebt. Einer der Deckel bekommt ein Loch für den Temperaturfühler. Die Temperatur ϑA (Raumtemperatur) des Metallschrots wird gemessen. Das Rohr wird nun mehrfach so umgedreht, dass das Metallschrot senkrecht nach unten fällt und möglichst wenig an der Innenseite der Röhre entlangrutscht. Die Anzahl n der Kippungen wird notiert und dazu die jeweilige Temperatur ϑ(n) bestimmt. Zu wenige Kippungen n liefern zu kleine Temperaturdifferenzen, zu viele erhöhen die Energieverluste an die Umgebung. Optimale Werte für n hängen also von der Fallhöhe und vom verwendeten Metall ab.
Beobachtung
Die Temperatur ϑ des Metallschrotes steigt mit n, die Auswertung ergibt später annähernd eine Proportionalität. Für erkennbare Temperaturzunahme muss man viele Kippungen durchführen, für gut 1 K Temperaturerhöhung muss man mit ca. 100 g Aluminiumschrot um die 200 Male kippen (je nach Rollenlänge), mit Kupferschrot deutlich weniger. Das ist durchaus anstrengend, da der Versuch wegen der Wärmeverluste in möglichst kurzer Zeit stattfinden sollte. Deshalb ist es ratsam, ihn mit zwei Personen durchzuführen, die sich abwechseln.
Auswertung
Man interpretiert das Experiment als Umwandlung von Lageenergie WL in innere Energie U, wobei zwischenzeitlich auch Bewegungsenergie Wkin auftritt. Es gilt: ΔWL = n m g Δh und ΔU = c m Δϑ (n: Anzahl der Kippungen, m: Masse des Schrotes, g: Erdbeschleunigung, Δh: Fallhöhe des Schrotes, c: spezifische Wärmekapazität des Schrotes, Δϑ: Temperaturdifferenz). Erstellt man eine Messreihe mit Δϑ und n, so zeigt sich in der Auswertung ein linearer Zusammenhang. Der Wert für ΔU liegt bei optimalen Bedingungen etwa bei 70 % von ΔWL. Man kann als Auswertung auch einen Wert für c bestimmen. Eine genauere Analyse der Gründe für diese Abweichungen (z.B. Energieverluste an die Umgebung) ist möglich, je nach Vorkenntnis der Lerngruppe. Gibt man keine unterstützenden Hinweise zur Durchführung, kann diese Analyse zu Optimierungen derselben führen, allerdings ist der Zeitbedarf dann deutlich höher.
Ausblicke
  • Eine Apparatur, in der die Röhre mittig befestigt ist und so nur noch schnell um diese Achse gedreht werden muss, bietet die Lehrmittelfirma PHYWE an (Artikelnr. P1044400). Die körperliche Erfahrung fehlt dann allerdings weitgehend.
  • Die Messreihe für ϑ = ϑ(n) kann auch sukzessive mit einem computerunterstützten Messsystem aufgenommen werden, wenn man das Thermometer dauerhaft in der Röhre befestigt, siehe dazu z.B. PHYWE Artikelnr. P1044468.
  • Nach wem die Apparatur benannt wurde (es gibt auch noch ein „Whiting-Pendel zur Bestimmung von g), konnte ich nicht herausfinden. Infrage käme dafür Sarah Frances Whiting, die ab 1878 am Wellesley College, einer Hochschule für Frauen, das zweite Praktikumslabor der USA einrichtete.

Friedrich+ Kunst

Sie sind bereits Abonnent?

Jetzt anmelden und sofort lesen

Jetzt weiterlesen mit Friedrich+ Physik!

  • Digitaler Vollzugriff auf die Inhalte der Zeitschrift Unterricht Physik.
  • Umfassendes Archiv mit über 250 didaktischen und fachwissenschaftlichen  Beiträgen, z. B.  Unterrichtseinheiten, Arbeitsblätter, Bildmaterial,  Filme, Aufgaben, Hintergrundinformation,  u. v. m.
  • Jährlich über 100 neue Beiträge mit Unterrichtseinheiten zu lehrplanrelevanten Themen

30 Tage kostenlos testen

Mehr Informationen zu Friedrich+ Physik

Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 179 / 2020

Digitale Bildung

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 8-10