Titel: Ure, über die Bemessung der Wärme in Hinsicht auf die Qualität der Steinkohlen.
Autor: Ure, Andrew
Fundstelle: 1840, Band 75, Nr. XII. (S. 48–55)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj075/ar075012

XII. Ueber die Bemessung der Wärme in Hinsicht auf die Qualität der Steinkohlen. Von Dr. Andrew Ure.

Aus dem London Journal of arts. Okt. 1839, S. 98.

Mit einer Abbildung auf Tab. I.

Eine gleiche, durch Einwirkung von Wärme hervorgebrachte Wirkung deutet darauf hin, daß auch eine gleiche Wärmemenge oder eine Wärme von gleicher Kraft gewirkt habe. Wenn z.B. ein Pfund Eisen auf irgend eine Weise von einer Temperatur von 50° auf eine Temperatur von 51° übergeht, so unterlag es einem gleichen erwärmenden Einflusse, die Wärme mag von der Sonne oder einem gewöhnlichen Feuer ausgegangen seyn, sie mag durch unmittelbare Berührung oder durch Ausstrahlung eines heißeren Körpers gewirkt haben. So braucht auch ein Pfund Eis von 32° F. zum Behufe seiner Schmelzung stets eine und dieselbe Quantität Wärme, unter welchen Umständen die Schmelzung auch immer von Statten gehen mag; und ein Pfund Wasser von 212° F. erheischt, um in Dampf verwandelt zu werden, stets eine und dieselbe Wärmemenge, die Verdünstung mag langsam oder rasch von Statten gehen. Von diesem Fundamentalgrundsaze ausgegangen, lassen sich gegebene Wärmequantitäten oder Wärmekräfte miteinander vergleichen, wenn man sie nacheinander zur Erzeugung einer und derselben Wirkung anwenden kann, wie z.B. zur Steigerung der Temperatur einer Masse, zum Schmelzen einer festen Substanz oder zum Verdampfen einer Flüssigkeit. Da jedoch zu diesem Zweke die Wärme aus dem Körper, in dem sie enthalten ist, ausströmen muß, um in den Körper, auf den sie eine bestimmte Wirkung ausüben soll, überzugehen, so ist offenbar, daß wir nie die gesammte oder absolute Quantität des in den Körpern enthaltenen Wärmestoffes vergleichen können. Denn da wir ihnen nie allen ihren Wärmestoff zu entziehen vermögen, so beschränkt sich unser Maaß lediglich auf jene Wärmequantitäten, die wir von einem Körper auf einen anderen übertragen können.

Wir sagen, daß eine Substanz eine größere oder geringere Wärmecapacität besizt, je nachdem sie eine größere oder geringere Menge von Wärme erheischt, um eine bestimmte Veränderung der Temperatur, z.B. von 10 Thermometer-Graden zu erleiden. Diese Quantität der Wärme nennen wir die specifische Wärme eines Körpers. Seine Wärmecapacität wird eine constante genannt, wenn bei gleichen Gewichten gleiche Quantitäten Wärme erforderlich sind, um seine Temperatur, welche diese auch seyn mag, um einen Grad zu steigern, |49| d.h. um ihn z.B. von 50 auf 51, von 100 auf 101, von 150 auf 151° zu erwärmen u.s.f. Es ist sehr wahrscheinlich, daß alle festen und flüssigen Körper eine progressiv steigende Wärmecapacität besizen; denn so braucht z.B. ein Pfund Eisen mehr Wärme, um von 100 auf 101° zu gelangen, als um von 40 auf 41° zu kommen, und noch mehr, um sich von 200 auf 201° zu erheben. Das Verhältniß der Wärmecapacitäten eines Körpers für zwei bestimmte Punkte der Thermometerscala, wie z.B. für 32 und 212° F. ergibt sich aus dem Verhältnisse zwischen den Wärmequantitäten, die der Körper auf jedem dieser Punkte erheischt, um gleiche Temperatur-Veränderungen zu erleiden. Im Allgemeinen fällt das Verhältniß der Wärmecapacitäten zweier Körper mit dem zwischen ihrer specifischen Wärme bestehenden Verhältnisse zusammen, d.h. mit dem Verhältnisse der Wärmemengen, die sie bei gleichem Gewichte und auf gleichen Temperaturen bedürfen, um gleiche Temperatur-Veränderungen zu erleiden. Man pflegt die Wärmecapacitäten der verschiedenen Körper auf jene des Wassers, die man als Einheit oder 1,00000 annimmt, zurükzuführen. Wenn z.B. dieselbe Wärme, die das Wasser um einen Grad erwärmt, das Oehl um zwei Grade erwärmt, so sagt man, daß die Wärmecapacität des Wassers doppelt so groß ist als jene des Oehles, oder daß, wenn jene des Wassers 1,000 ist, die des Oehles 0,500 beträgt.

Wenn man sich diese Definitionen und Begriffe klar macht, so wird man die zur Bestimmung der Wärmecapacität oder specifischen Wärme verschiedener Körper benüzten Methoden und Instrumente leicht verstehen.

Der älteste und bekannteste, obwohl nicht der genaueste Apparat zum Messen der von einem heißeren auf einen kälteren Körper übertragbaren Wärmemenge ist der Calorimeter von Lavoisier und Laplace. Derselbe besteht aus drei concentrischen, blechernen, in bestimmten Entfernungen von einander angebrachten Cylindern, von denen die beiden äußeren mit Eis gefüllt werden, während man in den inneren den dem Versuche zu unterstellenden Körper bringt. Die Quantität Wasser, welche in Folge der eingetretenen Schmelzung des Eises aus dem mittleren Zwischenraume abfloß, dient zur Bemessung der Wärme, welche der in dem mittleren Cylinder enthaltene Körper abgab. Ein einfacheres und besseres, auf demselben Principe beruhendes Instrument wäre ein hohler Eiscylinder von gehöriger Dike, in dessen Inneres der heiße Körper gebracht werden müßte, und der durch die Quantität des in ihm vorfindlichen geschmolzenen Wassers die von dem Eise absorbirte Wärmemenge andeuten würde. In diesem Falle wäre nämlich den Irrungen vorgebeugt, die daraus hervorgehen, |50| daß zwischen den in den Cylinder des blechernen Calorimeter gebrachten Eisstüken Wasser zurükgehalten wird. Ein Pfund auf 172° F. erwärmtes Wasser schmilzt, wenn man es in den eben erwähnten hohlen Cylinder bringt, genau ein Pfund Eis; ein Pfund auf dieselbe Temperatur erwärmtes Oehl schmilzt dagegen nur ein halbes Pfund Eis.

Die zuerst von Meyer angegebene Abkühlmethode ward in neuerer Zeit von Dulong und Petit auf einen hohen Grad von Vollkommenheit gebracht. Sie beruht auf dem Principe, daß zwei Oberflächen von gleicher Größe und gleicher Ausstrahlungskraft in gleichen Zeiten eine gleiche Wärmemenge verlieren, wenn sie sich auf einer und derselben Temperatur befinden. Wenn man z.B. ein kleines polirtes silbernes Gefäß von sehr geringer Metalldike nach einander mit verschiedenen pulverförmigen Substanzen füllt, und es von einer und derselben Temperatur aus abkühlen läßt, so werden die im ersten Augenblike des Abkühlens verloren gehenden Wärmemengen einander stets gleich seyn; und wenn die eine der Substanzen doppelt so schnell abkühlt als die andere, so wirb man daraus den Schluß ziehen, daß ihre Wärmecapacität halb so groß ist, wenn ihr Gewicht gleich ist; denn ihre Temperatur sinkt beim Verluste einer und derselben Wärmemenge um eine doppelte Anzahl von Wärmegraden.

Eine dritte Methode beruht auf der Zusammensezung von Mischungen. Man bedient sich hiebei stets zweier Körper: eines heißen, welcher kalt wirb, und eines kalten, welcher erwärmt wird, so daß aller von dem einen ausgehende Wärmestoff auf Erwärmung des anderen verwendet wird. Wenn man z.B. ein Pfund Queksilber von 212° F. in ein Pfund Wasser von 32° F. gießt, so wird das Queksilber an Wärme verlieren, das Wasser dagegen an solcher gewinnen, bis die Mischung endlich durch Umrühren eine gleichmäßige Temperatur erlangt. Wäre diese Temperatur 122°, so würden das Wasser und das Queksilber gleiche Wärmecapacitäten haben, weil dieselbe Wärmemenge in einer gleichen Masse dieser beiden Substanzen gleiche Temperatur-Veränderungen hervorgebracht haben würde: nämlich für das Wasser eine Steigerung von 90° und für das Queksilber ein Sinken von gleichfalls 90°. Es wird sich aber ergeben, daß die Mischung nur eine Temperatur von 37 1/2° haben wird, so daß, während das Queksilber 174 1/2° verliert, das Wasser nur 5 1/2° gewinnt. Da das Verhältniß zwischen diesen beiden Zahlen wie 32 zu 1 ist, so sagt man, daß die Wärmecapacität des Queksilbers nur 1/32 von jener des Wassers beträgt. Daß für den Einfluß, den das Gefäß ausübt, und für die während der Dauer des Versuches verloren |51| gehende Wärme Correctionen gemacht werden müssen, versteht sich von selbst.

Der Calorimeter, den ich nunmehr beschreiben will, und der mit jenem des Grafen Rumford auf gleichen Principien beruht, dürfte ein eben so richtiges Maaß für die Wärme geben, als irgend eine der oben angegebenen Methoden, und dabei eine viel allgemeinere Anwendung zulassen, indem damit sowohl die bei einer Verbrennung entwikelte Wärmemenge, als auch die gebundene Wärme des Dampfes und anderer Dünste bestimmt werden kann.

Dieser Apparat, den man in Fig. 33 sieht, besteht nämlich aus einer großen kupfernen Wanne e, f, welche 100 Gallons Wasser faßt. Durch diese läuft viermal hin und her im Zigzag und in verschiedenen Höhen ein horizontaler Feuerzug oder eine platt gedrükte Röhre d, c von 9 Zoll Breite und einem Zolle Tiefe, die sich unten bei c in eine runde Röhre endigt, und nachdem sie als solche durch den Boden der Wanne gesezt hat, in den oberen Theil eines kleinen aus Graphit gebauten Ofens b übergeht. Der innerste, das Brennmaterial enthaltende Tiegel dieses Ofens ist in der Entfernung von ungefähr einem Zolle mit einem zweiten Tiegel umgeben, der selbst wieder von den Seitenwänden des äußeren Tiegels umschlossen ist. Die zwischen den Tiegeln stagnirenden Luftschichten verhüten, daß sich die Wärme in die um den Körper des Ofens herum befindliche Luft zerstreue. Eine Röhre a, welche von einem doppelten Cylindergebläse her in die eine Seite des Aschenloches des Ofens eintritt, liefert zum Behufe der Unterhaltung des Feuers, welches zuerst mit einer halben Unze rothglühender Holzkohlen angestekt wird, einen stätigen, jedoch gelinden Luftstrom. Die sich aus dem entzündeten Brennstoffe entwikelnde Wärme wird hiebei so vollkommen von dem in die Wanne gebrachten Wasser absorbirt, daß die bei der oberen Röhrenmündung g austretende Luft gewöhnlich die Temperatur der atmosphärischen Luft hat. Bei den Versuchen, welche mit frühern Calorimetern dieser Art angestellt wurden, unterhielt man die Verbrennung durch den Zug eines am Boden offenen Rauchfanges, der an der oberen Mündung des Feuerzuges eine wandelbare, sehr schwer zu bestimmende Menge Wärme fortführte.

Wenn es sich um die Bestimmung der gebundenen Wärme des Dampfes und anderer Dünste handelt, so kann man diese durch eine Röhre in die obere Mündung g einleiten. Die gebundene Wärme ergibt sich aus der hiebei stattfindenden Steigerung der Temperatur des Wassers im Bade, während das Volumen des verbrauchten Dampfes aus der Quantität Flüssigkeit abzunehmen ist, die bei der unteren |52| Mündung c in ein an dieser angebrachtes Gefäß abläuft. In diesem Falle muß, wie sich von selbst versteht, der Ofen beseitigt werden.

Bei meinen noch im Gange befindlichen Versuchen ist der erste Punkt, auf den ich meine Aufmerksamkeit richte, die Bestimmung des Verhältnisses zwischen dem flüchtigen und fixen Bestandtheile, den ein Brennstoff, wie z.B. Pechkohle, gibt, wenn man ein bestimmtes Gewicht desselben in einer Retorte oder in einem bedekten Tiegel einer lebhaften Rothglühhize aussezt. Aus diesem Versuche ergibt sich, in welchem Maaße die Kohle eine flammende oder Gaskohle ist, und welche Quantität Kohks sie geben kann.

Der zweite Punkt betrifft die Heizkraft des Brennmateriales, welche durch die Zahl der Grade, um welche die in der Wanne enthaltenen 600 oder 1000 Pfd. Wasser durch die Verbrennung von einem Pfunde desselben gesteigert werden, bestimmt wird, wobei jedoch das Kupfer der Wanne mit in Anschlag zu bringen ist.

Meine Versuche waren bisher hauptsächlich auf Vergleichung der Heizkräfte des Walliser Anthracites, der Steinkohle von Llangennoek und einiger anderer Steinkohlen gerichtet. Ich habe gefunden, daß der Anthracit, wenn man ihn auf eine eigenthümliche Weise und mit einem kleinen Beisaze von anderen Steinkohlen brennt, wenigstens um 35 Proc. mehr Wärme gibt, als die Steinkohle von Llangennoek, die doch von vielen für das am besten für die Dampfschifffahrt geeignete Brennmaterial gehalten wird. Ein halbes Pfund Anthracit erhizt, wenn es in dem oben beschriebenen Apparate verbrannt wird, 600 Pfd. Wasser bei einer Temperatur der Luft von 66° F. um 10° F., d.h. von 62 auf 72°. Die Wärmeleitungsfähigkeit der umgebenden Luft erzeugt weder dadurch, daß sie dem Wasser Wärme entzieht, noch auch dadurch, daß sie Wärme an dasselbe abgibt, einen Irrthum in dem Versuche. Es scheint demnach, daß ein Pfund Anthracit durch seine Verbrennung 12,000 Pfd. Wasser um einen Grad zu erhizen vermag, weßhalb ich dessen Heizkraft der Kürze halber durch 12000 Einheiten ausdrüken will. Ein Pfund Steinkohle von Llangennoek gibt, wenn es unter gleichen Umständen verbrannt wird, nur 9000 Einheiten. Ein Pfund Holzkohle gibt, wenn sie der Luft ausgesezt gewesen, durch Verbrennung 10,500 Einheiten; doch steigert sich diese Zahl bedeutend, wenn vorher die Feuchtigkeit, die sie in so großer Menge aus der Luft anzieht, aus ihr ausgetrieben worden. Ein Pfund Steinkohle von Lambton's Wall's-end gibt 8500 Einheiten.

Man darf nicht vergessen, daß eine Steinkohle, die bei ihrer Verbrennung viel gekohltes Wasserstoffgas und Wasser erzeugt, nicht so viel Wärme gibt, als eine Kohle, die eben so reich an Kohlenstoff ist, aber weniger Gas erzeugt; denn bei der Erzeugung von gekohltem |53| Wasserstoffgase und Wasserdämpfen entweicht eine große Menge von Wärme in gebundenem Zustande. Ich bin überzeugt, daß durch diesen Destillationsproceß ein Drittheil bis zu einem Viertheile der gesammten Heizkraft mancher Steinkohlen in die Luft aufgeht. Jene Chemiker, die mit Berthier 8) und Richardson 9) die Heizkraft der Steinkohlen nach der Gesammtmenge des in ihnen enthaltenen Kohlenstoffes bestimmen wollen, gelangen demnach zu sehr irrigen Schlüssen, wie sich beim Brennen von Steinkohlen, die sehr viel Wasserstoff enthalten, im Calorimeter deutlich zu erkennen gibt.

Berthier sucht in dieser Absicht den in den Steinkohlen und anderen Brennstoffen enthaltenen Kohlenstoff dadurch zu bestimmen, daß er in einem Tiegel ein aus der fein gepulverten kohlenstoffhaltigen Substanz und Bleiglätte bestehendes Gemenge erhizt, und die Quantität des hiebei reducirten Bleies ausfindig macht. Er rechnet auf je 34 Theile Blei einen Theil Kohlenstoff, wobei er offenbar von dem Principe ausgeht, daß wenn Kohlenstoff in Berührung mit einer reichlichen Menge Bleiglätte erhizt wird, eine Umwandlung desselben in Kohlensäure vor sich geht. Jedes Atom Kohlenstoff nimmt hienach zwei Atome Sauerstoff auf, zu welchem Behufe er zwei Atome Bleiglätte zersezen und zwei Atome Blei reduciren muß. Bezeichnet man ein Atom Kohlenstoff mit 6 und ein Atom Blei mit 104, so erhält man das Verhältniß 6 : 104 × 2 = 1 : 34,66, was das von Berthier angenommene Verhältniß ist.

Unterwirft man nun diese Theorie dem Prüfsteine des Versuches, so wird man finden, daß sie gänzlich irrig ist. Ich vermengte 10 Gran frisch geglühte, fein gepulverte Holzkohle mit 1000 Gran fein gepulverter Bleiglätte auf das innigste und brachte das Gemenge in einen Tiegel, der, nachdem er so sorgfältig verschlossen worden, daß aller Rauch und alle Rußdämpfe davon ausgeschlossen waren, dem Feuer ausgesezt wurde. Ich erhielt auf diese Weise 603 Gran reducirtes Blei, während ich nach Berthier's Regel nur 340 oder 346,6 Gran hätte erhalten sollen. Bei der Erhizung eines aus 10 Gran gepulverten Anthracites von Merthyr Tydvil und 500 Gran reiner Bleiglätte bestehenden Gemenges erhielt ich 380 Gran metallisches Blei. Bei Wiederholung desselben Versuches mit demselben Anthracite und derselben Bleiglätte erhielt ich 450 Gran Blei, und bei einer dritten Wiederholung 350. Es erhellt demnach klar, daß die Methode Berthier's sich durchaus nicht zur Bestimmung der in und noch weniger |54| zur Beurtheilung der Heizkraft verschiedener Arten von Brennmaterialien.10)

Ich machte es mir bei den Versuchen, welche ich mit den Steinkohlen anstellte, ferner zur Aufgabe, die in ihnen enthaltene Schwefelmenge zu bestimmen – ein Punkt, der bisher noch sehr wenig beachtet wurde, und doch sowohl in Hinsicht auf die Verwendung der Steinkohlen in den Haushaltungen, als auch in Hinsicht auf deren Benüzung in den Eisenwerken und Gasfabriken von großer Wichtigkeit ist. Daß mit einer schwefelreichen Steinkohle, wenn sie auch noch so gut verkohlst wird, kein gutes Eisen erzeugt werden kann, wurde in Frankreich durch einen sehr kostspieligen Versuch erwiesen. Die Gegenwart einer merklichen Menge Schwefel in den zur Gaserzeugung bestimmten Steinkohlen ist dem Gase höchst nachtheilig; denn die Kohlen geben dann eine so große Menge Schwefelwasserstoffgas, daß das Gas einem mühseligen Waschungs- oder Reinigungsprocesse unterworfen werden muß, wodurch das Gas, indem ihm auch öhlerzeugendes Gas oder doppelt gekohltes Wasserstoffgas entzogen wird, an Leuchtkraft verliert. Zum Beweise hiefür darf ich bloß anführen, daß ich in einem Muster, welches unmittelbar von dem aus den Retorten kommenden Gase einer der Londoner Gascompagnien genommen wurde, 18 Proc. öhlerzeugendes Gas fand, während mir dasselbe Gas, nachdem es durch die Reinigungsapparate gegangen, nur mehr 11 Proc. an diesem für die Beleuchtung so werthvollen Gase zeigte. Wenn man sich einer beinahe schwefelfreien Steinkohle, wie z.B. die unter Nr. 4 aufgeführte eine ist, zur Gasbereitung bedient, wird man höchst wahrscheinlich um 10 Proc. mehr Licht erzeugen können, als mit der gewöhnlichen schwefelhaltigen Steinkohle. Man hat diesen Umstand, der für den Gewinn, den die Gaswerke abwerfen sollen, von höchster Wichtigkeit ist, bisher gerade an diesen Anstalten viel zu sehr vernachlässigt; ja man weiß die hierauf bezüglichen Untersuchungen nicht einmal gehörig anzustellen. So fand ich z.B. in einem über eine große industrielle Unternehmung erstatteten Berichte angegeben, daß die dabei verwendete Steinkohle schwefelfrei sey, während ich nicht weniger als volle 7 Proc. Schwefel darin entdekte – eine Menge, welche beinahe doppelt so groß ist, als der Schwefelgehalt der englischen Steinkohlen von mittlerer Qualität im Durchschnitte zu seyn pflegt.

Der Schwefelgehalt läßt sich im Allgemeinen nach dem Ansehen und der Menge der Asche abnehmen. Ist die Asche roth oder okerartig |55| gefärbt, und beträgt sie über 10 Proc., so kann man sicher seyn, daß die Steinkohle höchst schwefelreich ist. Die eben erwähnte Steinkohle gab mir 16 Proc. eisenhaltige Asche. Ich glaube, daß der Schwefel in den Steinkohlen stets als Schwefelkies enthalten ist, und zwar entweder in deutlich sichtbaren Theilchen oder so höchst fein vertheilt, daß er mit dem freien Auge nicht wahrnehmbar ist. Die einfachste Methode den Schwefelgehalt irgend einer Substanz mit Genauigkeit zu bestimmen, besteht darin, daß man eine bestimmte Quantität derselben mit kohlensaurem Kali, Salpeter und Kochsalz vermengt, und das Gemenge in einem Platintiegel verbrennt. Man erhält hiedurch eine weißliche Masse, die allen Schwefel in schwefelsaures Kali umgewandelt enthält. Aus der mit salzsaurem Baryt niederzuschlagenden Schwefelsäure berechnet sich dann leicht der Schwefel.

Ich untersuchte nach diesem Verfahren mehrere Steinkohlenmuster, die mir von der Sudian Steel Company zu Chelsea zur Prüfung übergeben worden, und erhielt hiebei folgende Resultate:

Textabbildung Bd. 75, S. 55
Textabbildung Bd. 75, S. 55

Leztere Sorte eignet sich ganz trefflich zur Bereitung eines reinen Steinkohlengases.

Ich hoffe aus den Untersuchungen unserer Steinkohlen in Hinsicht auf deren Heizkraft und deren Schwefelgehalt, womit ich dermalen beschäftigt bin, Resultate von hoher Wichtigkeit, die ich später mittheilen werde, zu erlangen.

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Polytechn. Journal Bd. LVIII. S. 391.

|53|

Polytechn. Journal Bd. LXVII. S. 211.

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Dagegen erhielten andere Chemiker beim mehrmaligen Probiren eines und desselben Brennmaterials nach Berthier's Methode so übereinstimmende Resultate, als man sie nur erwarten konnte. A. d. R.

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