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Mischtemperatur bei Aggregatzustandsänderung
 
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wonrat
Gast





Beitrag wonrat Verfasst am: 01. Feb 2017 18:51    Titel: Mischtemperatur bei Aggregatzustandsänderung Antworten mit Zitat

Hallo,

ich knabbere schon seit einigen Tagen an folgendem Problem: Wenn ich zwei Stoffe unterschiedlicher Temperatur miteinander mische und einer ändert dabei seinen Aggregatzustand, scheint das Grundgesetzt des Wärmeaustausches der Energieerhaltung zu widersprechen.

Ich bin nicht in der Lage meinen Fehler zu finden. Vieleicht ist aber auch einer der Ansätze falsch.

Ausgangspunkt wäre z.B wir mischen Wasser mit Eis. Dabei sind die Temperaturen und Massen so gewählt das dass Eis vollständig schmilzt.

Ansatz 1 wäre das Grundgesetzt des Wärmeaustausches: die abgegebene Wärmemenge entspricht der aufgenommenen Wärmemenge



Ansatz 2 wäre die Energieerhaltung: die Wärmemenge vor dem Mischen entspricht der Wärmemenge nach dem Mischen



Vergleicht man nun die beiden Mischtemperaturen, dann unterscheiden sich diese:



Nachdem ich mir das ganze schon mehrmals angesehen habe kann ich blöderweise immer noch keinen Fehler finden. Ich hoffe, dass hier vielleicht jemand meinen Fehler findet.

Grüße
franz



Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11583

Beitrag franz Verfasst am: 01. Feb 2017 21:29    Titel: Antworten mit Zitat

Moin!

Vielleicht erstmal die reine Aufgabenstellung: gegeben / gesucht - ohne eigene Überlegungen.

(Bei den Übergangswärmen sehe ich das generelle Problem, daß man ohne konkrete Werte nicht weiß, ob diese Temperatur überhaupt erreicht wird. Deshalb muß man vermutlich solche Rechnungen in zwei Schritten vornehmen.)
Duke711



Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434

Beitrag Duke711 Verfasst am: 01. Feb 2017 23:32    Titel: Antworten mit Zitat

Wieso - qschmez?

Die latente Wärme beim Schmelzvorgang muss summiert werden

Qwasser = QEis + Qschmelz



wonrat
Gast





Beitrag wonrat Verfasst am: 02. Feb 2017 13:42    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Moin!

Vielleicht erstmal die reine Aufgabenstellung: gegeben / gesucht - ohne eigene Überlegungen.

(Bei den Übergangswärmen sehe ich das generelle Problem, daß man ohne konkrete Werte nicht weiß, ob diese Temperatur überhaupt erreicht wird. Deshalb muß man vermutlich solche Rechnungen in zwei Schritten vornehmen.)


Wie wäre es denn damit: In 200g Wasser mit der Temperatur 353k werden 10g Eis mit einer Temperatur von 269k gegeben. Welche Temperatur stellt sich ein.

Mit m_w= 200 g, T_w = 353 K, c_w = 4,19 J/(K*g), m_e = 10 g, T_e = 269 k, c_e = 2,009 J/(K*g) und q_s = 334 J/g erhält man T_m1 = 345,3 K und T_m2 = 338,8 K. Da T_m1 nicht gleich T_m2 ist, ist mindestens einer der Ansätze falsch.
Duke711



Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434

Beitrag Duke711 Verfasst am: 02. Feb 2017 14:07    Titel: Antworten mit Zitat



T1 = 277.235 - 273.15

T1 = 4.085 K (Abkühlung)

Die Ausgangstemperatur vom Wasser ist unerheblich. Ob das Wasser nun 20°C oder 200 °C hat. Bei einem idealisierten cp, keine Abhängigkeit von der Temperatur, spielt das denn keine Rolle. Das Wasser wird sich unabhängig von seiner Ausgangtemperatur, mit konstanter Masse + konstanter Eismasse und einer konstanten Temperatur (269 K), immer um den selben Wert -> 4.085 K abkühlen.

Nachtrag um auf Deine Gleichungen einzugehen:

Dein ganzer Ansatz stimmt nicht. Qschmelz muss addiert werden. Dann rechnest Du mit doppelten Thermen, also 2x cpWasser 2x Masse vom Wasser usw. Das ergibt alles kein Sinn.

Ausführliche Form:



wonrat
Gast





Beitrag wonrat Verfasst am: 02. Feb 2017 16:56    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo Duke,

irgendwie scheinst ich die Formeln oben anders zu lesen als du smile. Ich sehen nicht wo ich sachen doppelt mit Berechne. Im Grunde hast du einen ähnlich Ansatzt wie ich ganz oben:



Ist auch das was ich oben stehen habe, nur das ist bei dir anders:



Bei dir erwärmt sich das Eis, als Eis () bis auf die Mischtemperatur. Du ignorierst dabei aber das Eis bei 0°C zu Wasser wird und sich dabei das ändert. Deswegen habe ich oben stehen. Bis 0°C "erwärmt" sich der Eiswürfel wie Eis und ab 0°C wie Wasser.
Duke711



Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434

Beitrag Duke711 Verfasst am: 02. Feb 2017 17:15    Titel: Antworten mit Zitat

Bei dir steht:

Qwasser + QEis - Qschmelz = Qwasser + QEis

Das ergibt aber überhaupt keinen Sinn, da sind doppelte Therme --> 2x Qwasser usw. enthalten. Und das ist nicht das selbe wie:

Qauf = Qab

--> Qauf = QEis + Qschmelz
--> Qab = Wasser

->> Qwasser = Qeis + Qschmelz


Da es sich um ein Wärmeausgleich handelt, ist es nichts weiter als ein gleichsetzen der Gleichungen:

Qwasser = QEis + Qschmelz.

Auch wird hier nicht für Eis der cp für Wasser eingesetzt. Durch die Bedingung (273.15 - T2) wird nur die Temperaturdifferenz vom Eis bis zum Schmelzpunkt, idealerweise = 0°C, mit dem cp von Eis gerechnet + der latente Wärme.

Man kann auch dies in zwei Schritten rechnen:

QEis + Qschmelz.

Wenn man dies dann in "Wasser" einsetzt

QEis + Qschmelz = cpWasser * mWasser *dT

und nach T auflöst:

dT = (QEis + Qschmelz) / cpWasser * mWasser

Dann kommt mit den eingesetzten Werten = 4.085K heraus. Und somit ist das Ergebnis richtig.


Zuletzt bearbeitet von Duke711 am 02. Feb 2017 17:49, insgesamt 3-mal bearbeitet
wonrat
Gast





Beitrag wonrat Verfasst am: 02. Feb 2017 17:36    Titel: Antworten mit Zitat

Duke711 hat Folgendes geschrieben:
Bei dir steht:

Qwasser + QEis - Qschmelz = Qwasser + QEis

Das ergibt aber überhaupt keinen Sinn, da sind doppelte Therme --> 2x Qwasser usw. enthalten.


meinst du hier?

Duke711



Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434

Beitrag Duke711 Verfasst am: 02. Feb 2017 17:45    Titel: Antworten mit Zitat

Genau



Was ja nichts anderes ist als

Qwasser (erster Therm) + QEis - Qschmelz = Qwasser (zweiter Therm) + QEis (zweiter Therm)

Macht physikalisch kein Sinn. Bei einem temperaturabhangigen cp müsste man dann eine DGL aufstellen, so einfach die Gleichung erweiteren, funktioniert nicht. Dann wird diese ungültig.
wonrat
Gast





Beitrag wonrat Verfasst am: 02. Feb 2017 18:08    Titel: Antworten mit Zitat



Macht das denn physikalisch sinn wenn:


die Wärmemenge ist, die das warme (T = 353k) Wasser besitzt,


die Wärmemenge ist, die in dem Eiswürfel (T = 269K) steckt


die zum schmelzen notwendige Wärmemenge ist


die Wärmemenge ist, die das abgekühlte (T = Mischtemperatur) Wasser besitzt,


die Wärmemenge ist, die in dem geschmolzenen Eiswürfel (T = Mischtemperatur) stecken

Steht dann dort nicht sowas wie:



bzw. die Wärmemenge der ungemischten Komponenten ist gleich der Wärmemeng der vermischten Komponenten?
Duke711



Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434

Beitrag Duke711 Verfasst am: 02. Feb 2017 19:14    Titel: Antworten mit Zitat

Nein, da die ursprüngliche Gleichung über die Temperaturdifferenz und nicht über die absolute Temperatur definiert ist. Das ist der entscheidende Unterschied.
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