"Zuerst wird Wasser in den Kochtopf eingefüllt und mittels eines Sous-Vide-Garers auf eine konstante Temperatur von 80°C erwärmt. Als nächstes wird das kleinere Gefäß mit 400ml Wasser gefüllt und ein Magnet hineingelegt. Mittels diesem Magnetrührer wird sichergestellt, dass sich die Temperatur im gesamten Wasser gleichmäßig verteilt. Zu den beiden Behältern werden vier Sensoren eingelegt und ein Sensor ist an dem Rahmen der Konstruktion montiert, um die Umgebungstemperatur zu messen. Es werden drei Sensoren in das kleinere Gefäß und ein Sensor in den Kochtopf getan.\n",
"\n",
"Um nun den Versuch durchzuführen werden drei unterschiedliche zylinderartige Proben aus anderen Materialien in das 80°C-warme Wasser des Kochtopfes gelegt. Nachdem sich die Proben erwärmt haben, werden sie für den jeweiligen Versuch herausgenommen. Es muss hierbei beachtet werden, dass so wenig warmes Wasser in das Gefäß mit kaltem Wasser übernommen werden darf, um die Versuchsergebnisse nicht zu verfäls"
"Um nun den Versuch durchzuführen werden drei unterschiedliche zylinderartige Proben aus anderen Materialien in das 80°C-warme Wasser des Kochtopfes gelegt. Nachdem sich die Proben erwärmt haben, werden sie für den jeweiligen Versuch herausgenommen. Es muss hierbei beachtet werden, dass so wenig warmes Wasser in das Gefäß mit kaltem Wasser übernommen werden darf, um die Versuchsergebnisse nicht zu verfälschen. Wurde die Probe in das Gefäß mit kaltem Wasser getan, wird die Wassertemperatur gemessen, um mögöiche Temperaturänderungen festzustellen."
]
},
{
...
...
@@ -53,7 +53,7 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 287,
"execution_count": 1,
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
...
...
@@ -89,7 +89,7 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 288,
"execution_count": 2,
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
...
...
@@ -102,7 +102,7 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 289,
"execution_count": 3,
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
...
...
@@ -117,7 +117,7 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 290,
"execution_count": 4,
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
...
...
@@ -146,7 +146,7 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 291,
"execution_count": 5,
"metadata": {},
"outputs": [],
"source": [
...
...
@@ -172,9 +172,16 @@
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 292,
"execution_count": 6,
"metadata": {},
"outputs": [
{
"name": "stderr",
"output_type": "stream",
"text": [
"findfont: Font family ['Verdana'] not found. Falling back to DejaVu Sans.\n"
"Analysieren Sie Ihre Ergebnisse aus wissenschaflticher Sicht. Berücksichtigen Sie dabei Ihre oben genannte Forschungsfrage. Wie wirkt sich die mit der Probe aus dem Heißwasserbad transportierte Wassermenge auf das Ergebnis aus? Welche weiteren Fehlerquellen gibt es?\n",
"\n",
"In Zusammenfassung ergeben sich die folgenden Resultate:\n",
Formulieren Sie eine oder mehrere Forschungsfragen zu diesem Versuch.
In welchem Maße können die spezifischen Wärmekapazitäten verschiedener Proben durch den genutzten Kalorimeter experimentell und verlässlich ermittelt werden?
%% Cell type:markdown id: tags:
## Versuchsaufbau und Durchführung
Beschreiben Sie den Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung. Nutzen Sie hier Ihr eigenes Bild.
Zuerst wird Wasser in den Kochtopf eingefüllt und mittels eines Sous-Vide-Garers auf eine konstante Temperatur von 80°C erwärmt. Als nächstes wird das kleinere Gefäß mit 400ml Wasser gefüllt und ein Magnet hineingelegt. Mittels diesem Magnetrührer wird sichergestellt, dass sich die Temperatur im gesamten Wasser gleichmäßig verteilt. Zu den beiden Behältern werden vier Sensoren eingelegt und ein Sensor ist an dem Rahmen der Konstruktion montiert, um die Umgebungstemperatur zu messen. Es werden drei Sensoren in das kleinere Gefäß und ein Sensor in den Kochtopf getan.
Um nun den Versuch durchzuführen werden drei unterschiedliche zylinderartige Proben aus anderen Materialien in das 80°C-warme Wasser des Kochtopfes gelegt. Nachdem sich die Proben erwärmt haben, werden sie für den jeweiligen Versuch herausgenommen. Es muss hierbei beachtet werden, dass so wenig warmes Wasser in das Gefäß mit kaltem Wasser übernommen werden darf, um die Versuchsergebnisse nicht zu verfäls
Um nun den Versuch durchzuführen werden drei unterschiedliche zylinderartige Proben aus anderen Materialien in das 80°C-warme Wasser des Kochtopfes gelegt. Nachdem sich die Proben erwärmt haben, werden sie für den jeweiligen Versuch herausgenommen. Es muss hierbei beachtet werden, dass so wenig warmes Wasser in das Gefäß mit kaltem Wasser übernommen werden darf, um die Versuchsergebnisse nicht zu verfälschen. Wurde die Probe in das Gefäß mit kaltem Wasser getan, wird die Wassertemperatur gemessen, um mögöiche Temperaturänderungen festzustellen.
# Use FST-Style, if you don't like it, you can safely delete this line.
plt.style.use("FST.mplstyle")
```
%% Cell type:markdown id: tags:
### Kalorimeterkonstante
Hinweis: Sie können die Funktion *get_json_entry* nutzen um auf Metadaten zuzugreifen.
Für die Messdatenauswertung steht Ihnen bereits ein Modul utility.py zur Verfügung. Ergänzen sie die Funktionen im Modul zwischen TODO und DONE. Sie finden weitere Hinweise im jeweiligen Bereich TODO->DONE.
%% Cell type:markdown id: tags:
#### (i) Messdaten einlesen
Lesen Sie die Messdaten in ihr Notebook ein.
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# TODO: Define the path to hdf5 file, which containing experiment data for constant.
datafile_path_const="data/Heat_Capacity/data.h5"
# DONE #
```
%% Cell type:code id: tags:
``` python
importlib.reload(utility)
# TODO: Read all experimental data and associated metadata from HDF5 files for data processing.
Im Kalorimeter befinden sich mehrere Sensoren, deren Mittelwerte sowie Standardabweichungen der Messung an jeden Zeitpunkt bestimmt wurden. Die Messdaten bzw. ihre Mittelwerte sollen in einem Plot eingetragen werden. Die Standardabweichungen der Sensoren sind als Errorbar im Plot zu sehen.
%% Cell type:code id: tags:
``` python
importlib.reload(utility)
# TODO: Use the temperature and time data for plotting
utility.plot_temp_over_time([mean_std_calorimeter,mean_std_environment],[time-time[0],time_env-time_env[0]],["Calorimeter","Enviroment"],"Zeit in Sekunden","Temperature in °C")
# DONE #
```
%% Output
findfont: Font family ['Verdana'] not found. Falling back to DejaVu Sans.
%% Cell type:markdown id: tags:
#### (iv) Metadaten auslesen
Die notwendigen Daten bzw. Metadaten für die Berechnung der Wärmekapazität wird ausgelesen.
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# Heat capacity of Water has been given
water_heat_capa=4.18
# TODO: Read mass of the water from the metadata of the experiment.
utility.plot_temp_over_time([mean_std_calorimeter,mean_std_environment],[time-time[0],time_env-time_env[0]],["Kalorimeter","Umgebung"],"Zeit in Sekunden","Temperatur in °C")
# DONE #
```
%% Output
%% Cell type:markdown id: tags:
#### (iv) Metadaten auslesen
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# TODO: Read mass of the sample from the metadata of the experiment.
utility.plot_temp_over_time([mean_std_calorimeter,mean_std_environment],[time-time[0],time_env-time_env[0]],["Kalorimeter","Umgebung"],"Zeit in Sekunden","Temperatur in °C")
len(time)
len(time_env)
# DONE #
```
%% Output
37
%% Cell type:markdown id: tags:
#### (iv) Metadaten auslesen
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# TODO: Read mass of the sample from the metadata of the experiment.
utility.plot_temp_over_time([mean_std_calorimeter,mean_std_environment],[time-time[0],time_env-time_env[0]],["Kalorimeter","Umgebung"],"Zeit in Sekunden","Temperatur in °C")
# DONE #
```
%% Output
%% Cell type:markdown id: tags:
#### (iv) Metadaten auslesen
%% Cell type:code id: tags:
``` python
# TODO: Read mass of the sample from the metadata of the experiment.
Analysieren Sie Ihre Ergebnisse aus wissenschaflticher Sicht. Berücksichtigen Sie dabei Ihre oben genannte Forschungsfrage. Wie wirkt sich die mit der Probe aus dem Heißwasserbad transportierte Wassermenge auf das Ergebnis aus? Welche weiteren Fehlerquellen gibt es?
In Zusammenfassung ergeben sich die folgenden Resultate:
$$
c_{Edelstahl} = 0.5237928 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
$$
c_{Messing} = 0.407409 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
$$
c_{PA66} = 2.682442 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
Aus unterschiedlichen Recherchen ergeben folgende Werte für die Wärmekapazitäten der Proben:
$$
c_{Edelstahl} = 0.49 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
$$
c_{Messing} = 0.377 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
$$
c_{PA66} = 1.7 \frac{kJ}{kg \cdot K}
$$
Aus dem Vergleich der experimentell ermittelten Werte und den aus der Recherche ist zu erkennen, dass die Werte nur eine geringe Abweichung aufzeigen. Es ist somit den Resultaten zu entnehmen, dass die vier Versuche ordentlich durchgeführt und dokumentiert wurden. Nichtsdestotrotz weist der letzte Versuch mit der Probe des Werkstoffes PA66 eine große Abweichung auf. Ein möglicher Grund kann das fehlerhafte Durchführen des Versuches sein, da die Probe bei der Entnahme aus dem großen Wasserbad mehr überschüssiges Wasser in die Messkammer mitgenommen hat als die anderen beiden Proben. Bei den anderen beiden metallischen Proben ist dies weniger geschehen. Es ist auch zu erwähnen, dass mögliche Abweichungen der Messsensorik als auch Abweichungen beim Messen des Wasserstandes oder der verunreinigten Probenoberfläche entstehen können, sodass sich alle aufsummieren und die Resultate beeinflussen.
%% Cell type:markdown id: tags:
## Fazit
Ziehe Sie ein persönliches Fazit zum Versuch:
Ich habe gelernt, dass eine genaue und sehr ordentliche Arbeitsweise bei der Durchführung und Dokumentation von Versuchen sehr wichtig ist. Mangelnde Sorgfalt kann in den schwierigsten Fällen alle weiteren Schritte der Versuchsanalyse beeinflussen und somit die Resultate für den Vergleich mit anderen Quellen verfälschen. Für eine wissenschaftliche Arbeit ist es somit unter allen Umständen notwendig den Versuchsablauf sehr genau durchzuführen und diesen und das Resultat zu dokumentieren, um sie für die spätere Analyse zu nutzen und sie mit Daten aus Tabellen zu vergleichen.
