Titel: Calvert, über das Wärmeleitungsvermögen der Metalle und ihrer Legirungen.
Autor: Calvert, Frederick Crace
Johnson, Richard
Fundstelle: 1859, Band 153, Nr. LXXX. (S. 285–294)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj153/ar153080

LXXX. Ueber das Wärmeleitungsvermögen der Metalle und ihrer Legirungen; von Prof. F. C. Calvert und Richard Johnson.

Aus den Philosophical Transactions for 1858, Part II p. 349.

Mit Abbildungen auf Tab. IV.

Um mit Genauigkeit das Wärmeleitungsvermögen aller gewöhnlichen Metalle, von siebenzig ihrer Legirungen und dreißig ihrer Amalgame bestimmen zu können39), mußten wir eine neue Methode ermitteln; denn das von Despretz befolgte Verfahren konnte nur für wenige der besten Wärmeleiter, wie Silber, Gold und Kupfer, verläßliche Resultate geben. Da man bei seinem Verfahren einen langen und dicken Stab von dem Metall besitzen muß, um Löcher hineinbohren zu können, in welche Quecksilber und die Kugel des Thermometers gebracht werden, so hatten wir uns von jedem Metall eine beträchtliche Quantität im Zustande der Reinheit verschaffen müssen, was bekanntlich sehr schwierig ist. Der Umstand, daß bei seinem Verfahren Quecksilber angewandt wird, hätte es uns überdieß unmöglich gemacht, das Leitungsvermögen so wichtiger Legirungen, wie Messing und Bronze, zu bestimmen, und für die Amalgame wäre das Verfahren gar nicht anwendbar gewesen.

Die wichtige Frage, ob die Legirungen bloße Mischungen oder chemische Verbindungen sind, konnte bisher nicht gelöst werden, weil dieselben mit unreinen oder käuflichen Metallen, und nicht in stöchiometrischem Verhältniß dargestellt wurden; da nämlich hierbei die chemischen Verbindungen, welche die Metalle zu bilden streben, mit einem Ueberschuß von einem der angewandten Metalle gemischt sind, so zeigen die erhaltenen Legirungen Eigenschaften, welche zu keinem Aufschluß über ihre Natur führen können. Dazu kommt noch der Umstand, daß in vielen Legirungen, |286| wie denen von Kupfer und Zinn, oder Kupfer und Zink, die Metalle das Bestreben haben beim langsamen Erkalten mehrere krystallisirbare Verbindungen zu bilden, deren Zusammensetzung in den äußeren und inneren Theilen der Legirung eine verschiedene ist, indem die inneren Theile der Masse die leichtflüssigeren und die äußeren Theile die strengflüssigeren Verbindungen enthalten. Ueberdieß sind die Unreinigkeiten in den käuflichen Metallen oft so beträchtlich, daß dadurch die Eigenschaften ihrer Legirungen bedeutend modificirt werden; denn wir haben bei unseren Untersuchungen gefunden, daß wenn 1 Proc. eines Metalles 99 Th. eines andern zugesetzt wird, das Leitungsvermögen des letztern sich wesentlich ändert. Um diese Fehlerquellen zu vermeiden, haben wir unsere Legirungen mit reinen Metallen und zwar in stöchiometrischen Verhältnissen dargestellt.

Die Metalle, welche wir anwandten, haben wir auf folgende Weise gereinigt:

Gold. – Beiläufig 140 Gramme nahezu reines Gold wurden in Königswasser aufgelöst, und die Flüssigkeit zur Trockne verdampft. Der Rückstand wurde wieder aufgelöst und filtrirt, dann das Filtrat mit einer Auflösung von Eisenvitriol versetzt. Das so gefällte Gold wurde mit Salzsäure gewaschen, und mit ein wenig Borax und Salpeter geschmolzen.

Silber. – Reines Chlorsilber wurde durch Schmelzen mit reinem kohlensauren Kali reducirt.

Kupfer. – Reines Kupferoxyd wurde durch einen Strom von reinem Wasserstoffgas reducirt; oder man fällte aus einer Auflösung von reinem Kupfersalz das Metall auf galvanischem Wege.

Zinn. – Gut krystallisirtes Zinnchlorür wurde umkrystallisirt, und nachdem es ganz rein war, durch Schmelzen mit einem Gemenge von Natron – Bicarbonat und Lampenschwarz reducirt.

Wismuth. – Gepulvertes Wismuth wurde in starker Salpetersäure aufgelöst, die Flüssigkeit durch Asbest filtrirt, und mit ihrem zwanzigfachen Volum Wasser gemischt. Das so gefällte basische Salz wurde gewaschen, getrocknet und mit Lampenschwarz reducirt.

Antimon. – Dieses Metall wurde gepulvert und mit einem Gemenge von reinem salpetersaurem und kohlensaurem Natron geschmolzen; das so erzeugte antimonsaure Natron wurde mit kochendem Wasser gewaschen bis das Filtrat nicht mehr alkalisch reagirte. Die unauflösliche Masse wurde getrocknet und mit Lampenschwarz reducirt.

Blei. – Salpetersaures Blei wurde umkrystallisirt, und nachdem es rein war, das Salz getrocknet und calcinirt. Das so dargestellte Bleioxyd wurde mit Lampenschwarz reducirt.

|287|

Zink. – Es wurde Zink von Vieille Montagne zweimal umdestillirt.

Cadmium. – Käufliches Cadmium wurde in Salzsäure aufgelöst und die Flüssigkeit durch hineingeleitetes Schwefelwasserstoffgas gefällt. Das erhaltene Schwefelcadmium wurde mit einer Auflösung von Schwefelwasserstoff gut ausgewaschen und in Salzsäure aufgelöst; diese Lösung wurde mit kohlensaurem Ammoniak versetzt, der Niederschlag ausgewaschen, getrocknet, mit Lampenschwarz gemengt, und das Cadmium destillirt.

Platin, Aluminium, Eisen und Natrium gebrauchten wir in dem Zustande wie sie im Handel vorkommen.

Der von uns zur Bestimmung des Wärmeleitungsvermögens der Metalle benutzte Apparat, Fig. 21 und 22, besteht aus einem Kästchen von Fichtenholz A, welches 105 Millimeter breit, 165 Millimeter lang und 220 Millim. hoch ist; dasselbe ist mit einem Deckel versehen und außen und innen weiß angestrichen. In diesem Kästchen befinden sich zwei viereckige Behälter von vulcanisirtem Kautschuk, deren Wände 15 Millim. dick sind. Der größere Behälter B mißt innerlich 52 Millimeter an jeder Seite, hat 125 Millimeter lichte Höhe und kann 336 Kubikcentimeter Wasser fassen. Der kleinere Behälter C mißt 27 Millimeter an jeder Seite, ist 125 Millim. hoch und hat einen Inhalt von 90 Kubikcentimetern.

Diese Behälter sind weiß angestrichen und mit Watte umgeben; zur Verhütung jeder Wärmeausstrahlung ist auch noch ein Fichtenbret D zwischen den zwei Behältern angebracht. Aus dem Behälter B strahlt so wenig Wärme aus, daß, wenn er 200 Kubikcentimeter Wasser von 90° C. enthält und der kleinere Behälter C 50 Kubikcentimeter von 16°, in einer Viertelstunde, der zu unseren Versuchen erforderlichen Zeit, das Wasser in dem letzteren Behälter nicht um einen Zehntels-Centesimalgrad wärmer wurde. Es war daher alle fühlbare Strahlung und Leitung vermieden und die Temperaturerhöhung, welche in letzterem Behälter während des Versuches stattfand, mußte gänzlich von der Wärme herrühren, die das angewandte prismatische Metallstäbchen G leitete. Dieses Stäbchen ist 6 Centimeter lang und 1 Centim. breit, und wird bei dem Versuche so angeordnet, daß sich von demselben 1 Kubikcentimeter im Behälter B und 1 Kubikcentim. im Behälter C befindet; 3 Kubikcentim. werden von den Wänden der Behälter, durch welche es geht, umhüllt; der letzte 1 Kubikcentimeter, in Fig. 21 mit H bezeichnet, ist mit einem Röhrchen von vulcanisirtem Kautschuk überzogen; das Ganze wird dann wasserdicht gemacht, indem man die Seiten der Löcher, durch welche das Stäbchen geht, mit einem Firniß überzieht, der aus Kautschuk, in Benzin |288| aufgelöst, besteht. Das Stäbchen befindet sich 54 Millim. vom Boden von B, und 12 Millim. vom Boden von C.

Wenn ein Versuch gemacht werden soll, so legt man die Behälter in Wasser, um ihre Temperatur auszugleichen; dann werden sie sorgfältig abgewischt und in das hölzerne Kästchen gebracht, mit Watte umgeben und 50 Kubikcentim. Wasser von der Temperatur des Zimmers in den Behälter C gegossen; die zwei Behälter werden dann mit Deckeln von vulcanisirtem Kautschuk bedeckt, wovon jeder mit zwei Löchern versehen ist; nachdem die Behälter noch mit Watte bedeckt worden sind, schließt man den Deckel des Kästchens. Durch eines der Löcher im Behälter C wird ein sehr empfindliches Thermometer eingeführt, welches in Zehntels-Centesimalgrade getheilt ist; im andern Loch steckt ein Fischbeinstäbchen E, an seinem untern Ende mit einem Scheibchen von vulcanisirtem Kautschuk versehen, um das Wasser im Behälter während des Versuchs gehörig umrühren zu können, damit es eine gleichförmige Temperatur bekommt. Nachdem das Wasser im Behälter C eine fixe Temperatur erreicht hat (welche gewöhnlich innerhalb eines Grades von derjenigen des Zimmers liegt), führt man ein Thermometer in den Behälter B ein, und gießt 200 Kubikcentimeter kochendes Wasser mittelst eines Trichters durch die Röhre F hinein; die Temperatur der Flüssigkeit sinkt auf 86° oder 88°, sie steigt aber in drei Minuten wieder auf 90° durch einen kleinen Dampfstrahl, den man in einem Kolben (Fig. 22) erzeugt, worin das Wasser während des ganzen Versuchs im Kochen erhalten wird. Nach einigen Versuchen ist man bald im Stande eine konstante Temperatur von 90° im Behälter B während der Viertelstunde, welche der Versuch erfordert, zu unterhalten. Sofort nach dem Eingießen des kochenden Wassers in den Behälter B beobachtet man aufmerksam die Scala des Thermometers im Behälter C, und sobald man bemerkt daß die Quecksilbersäule steigt, notirt man sorgfältig die Secunde und Minute der Uhr, und macht ähnliche Notirungen in den nächsten fünfzehn Minuten. Während dieser Zeit rührt man die Flüssigkeit im Behälter C mit dem Stäbchen E um, und notirt nach je fünf Minuten das Steigen der Temperatur. Das Wasser im Behälter B behält eine gleichförmige Temperatur, weil der kleine Dampfstrahl, welcher ganz nahe am Boden in dasselbe austritt, ein Umrühren in ihm hervorbringt.

Folgende Ziffern zeigen, wie unbedeutend die Strahlung von dem großen Behälter, welcher 200 Kubikcentimeter Wasser von 90° C. enthielt, zum kleineren Behälter C, welcher 50 Kubikcentim. Wasser von der natürlichen Temperatur enthielt, war, als die zwei Behälter nicht durch ein Metallstäbchen verbunden, jedoch in ihrer natürlichen Stellung im Apparate |289| angebracht waren, denn in fünfzehn Minuten stieg die Temperatur des Wassers, im kleinem Behälter C nur um 0,05 eines Centesimalgrades, und in einer halben Stunde nur um 0°,7.

Temperatur
des Wassers im Behälter C.
17°,20
Nach 15 Minuten 17°,25
Nach 30 Minuten 17°,90

Daher mußte die ganze Temperaturzunahme im Behälter C, bei unseren Versuchen, von der durch das Stäbchen geleiteten Wärme herrühren.

Wenn man 200 Kubikcentimeter kochendes Wasser in den Behälter B goß und den Apparat der Abkühlung überließ, so waren vierundzwanzig Stunden erforderlich, bis die Temperatur des Wassers in den Behältern des Apparates mit derjenigen der umgebenden Atmospäre im Gleichgewicht war. Man könnte einwenden, daß wir bei unseren Versuchen die von den Wänden des Behälters C absorbirte Wärme nicht berücksichtigten; wir fanden aber durch eine große Anzahl von Versuchen, daß es für das relative Leitungsvermögen der Metalle und ihrer Legirungen ganz gleichgültig war, ob wir dieselbe berücksichtigten oder nicht; auch wurde ja im Behälter C nicht die dem Stäbchen im Behälter B mitgetheilte absolute Wärmemenge bestimmt, sondern die relative Leitungsfähigkeit verschiedener Metalle unter gleichen Umständen. Die besten Beweise für die Genauigkeit unseres Verfahrens sind: 1) daß die Reihe von Legirungen, welche die Wärme im Verhältniß der Aequivalente ihrer Metalle leiten, keine solche Uebereinstimmung zwischen den beobachteten und berechneten Resultaten gezeigt hätte, wenn unser Verfahren einigermaßen mangelhaft wäre; 2) daß wir im Stande waren mit Genauigkeit den auffallenden Einfluß zu bestimmen, welchen der Zusatz von 1 Proc. eines Metalles zu einem andern äußert.

Unser Verfahren, die vom Behälter C absorbirte Wärmemenge zu bestimmen, bestand darin, in diesen Behälter, nachdem er auf die natürliche Temperatur abgekühlt war, 50 Kubikcentimeter Wasser zu bringen, welches die Temperatur hat, die das Wasser nach Beendigung des letzten Versuchs besaß, und zu notiren wie viel Wärme von dem Wasser während der Viertelstunde absorbirt wurde. Zum Beispiel:

|290|
Mittleres
Leitungsvermögen.
Mittlere
Absorption.

Summe.
Zink, vertikal gegossen 20,03 8,80 28,83
Antimon, vertical gegossen 6,12 2,50 8,62

Da aber 20,03 : 6,12 = 28,83 : x = 8,80, das relative Leitungsvermögen des Antimons.

Es ist daher ganz klar, daß durch die Addition der vom Behälter C absorbirten Wärme zu der Wärme des Wassers in demselben unsere Resultate ohne allen Nutzen complicirter gemacht worden wären.

Wir wollen hier nur durch zwei Beispiele zeigen, wie regelmäßig der Gang unseres Apparates ist, und wie genau er das verschiedene Wärmeleitungsvermögen von zwei Metallen anzeigt. Die Temperaturzunahme, nach je fünf Minuten, steht in demselben Verhältniß, die Leiter mögen gute oder schlechte seyn.

Textabbildung Bd. 153, S. 290

In der That setzte uns nur die Leichtigkeit, in den Gränzen von zwei Zehnteln eines Centesimalgrades, bei zwei aufeinanderfolgenden Versuchen, das Leitungsvermögen eines Metalles oder einer Legirung ermitteln zu können, in den Stand das genaue Leitungsvermögen einer so großen Anzahl von Legirungen und Amalgamen zu bestimmen – eine Arbeit, welche uns aber dennoch ein ganzes Jahr lang beschäftigte.

Wie man aus dem Vorstehenden ersieht, haben wir bei unseren Versuchen stets prismatische Stäbchen von 1 Centimeter Breite und 6 Centimeter Länge angewandt. Diese Stäbchen wurden immer größer als erforderlich gegossen, und auf die genauen Dimensionen abgefeilt. – Für Quecksilber und Natrium waren wir genöthigt andere Methoden einzuschlagen. |291| Wir wandten ein Gehäuse von sehr dünnem Eisenblech an, dessen innere Dimensionen genau diejenigen der von uns benutzten prismatischen Metallstäbchen waren. Zum Eingießen des Quecksilbers war in der Mitte von einer der langen Seitenflächen ein kleines Loch von 4 Millimeter Durchmesser angebracht, welches, nachdem es voll Quecksilber war, mit ein wenig dickem Kautschukfirniß verschlossen wurde. Das Gehäuse wurde dann gewogen, wodurch man leicht ermitteln konnte ob es ganz voll war. Hierauf wurde es in die zwei Behälter von vulcanisirtem Kautschuk gebracht, und das Leitungsvermögen des Quecksilbers sammt seinem Gehäuse bestimmt. Indem man das Leitungsvermögen des Gehäuses, welches vorher bestimmt worden war, von dem Gesammtleitungsvermögen des Gehäuses und Quecksilbers abzog, ergab die Differenz das Leitungsvermögen des Quecksilbers.

Einfluß eines geringen Gehalts an Unreinigkeiten auf das Leitungsvermögen der Metalle.

Wir haben den Einfluß ermittelt, welchen 1 Proc. eines Metalles ausübt, wenn es einem andern zugesetzt wird, und erhielten folgende auffallende Resultate mit Gold und Silber:


Gefunden.
Leitungsvermögen,
Silber = 1000.
reines Gold 31,31 981
Gold mit 1 Proc. Silber 26,80 840

Der Zusatz von 1 Proc. Silber, dem besten Leiter, zu Gold, vermindert also das Leitungsvermögen des letzteren fast um 20 Procent.

Das Leitungsvermögen des reinen Quecksilbers ist 21,60; wenn dasselbe aber mit 1,25 Proc. Zinn amalgamirt ist, so ist sein Leitungsvermögen nur 13,15.

Da Prof. W. Thomson neuerlich entdeckt hat, daß eine kleine Menge verschiedener Metalle, dem Kupfer zugesetzt, dessen Leitungsvermögen für die Elektricität bedeutend ändert40), so veranlaßte uns dieß zu untersuchen, ob das Leitungsvermögen des Kupfers für die Wärme durch das Legiren desselben mit 1 Proc. verschiedener Metalle ebenfalls geändert wird; dabei erhielten wir Resultate, welche mit den seinigen übereinstimmen, indem einige Metalle das Leitungsvermögen des Kupfers für die Wärme vergrößern, während andere es vermindern.

Wir haben auch den Einfluß des Kohlenstoffs auf das Leitungsvermögen des Eisens untersucht; die dabei erhaltenen Resultate dürften |292| sich in industrieller Hinsicht nützlich erweisen, da sich eine Differenz von beiläufig 18 Proc. herausstellt. Folgendes sind die Resultate:

Gefunden. Leitungsvermögen,
Silbers = 1000.
Stabeisen41) 13,92 436
Stahl 12,65 397
Roheisen 11,45 359

Einfluß der Krystallisation auf das Leitungsvermögen der Legirungen.

Nach zahlreichen von uns angestellten Untersuchungen müssen wir annehmen, daß das Wärmeleitungsvermögen der Legirungen bedeutend modificirt wird durch das Krystallsystem zu welchem jedes der Metalle gehört, woraus sie bestehen, oder durch die besondere Krystallform ihrer eigenen Krystalle; denn wir haben beobachtet, daß einige der krystallisirten Legirungen von Kupfer und Zinn, und Kupfer und Zink, ein specielles Leitungsvermögen besitzen; zum Beispiel:

Gefunden Berechnet Silber = 1000
Gefunden Berechnet
Zinn, 1 Aeq.
Kupfer, 3 Aeq.
38,21
61,79
15,75 21,37 494 670
–––––––
100,00
Zinn, 1 Aeq.
Kupfer, 4 Aeq.
31,73
68,27
4,06 21,88 155 686
–––––––
100,00
|293|

Dagegen leiten die Legirungen, welche wenig oder keine Krystallisation zeigen, die Wärme im Verhältniß der relativen Aequivalente der Metalle, woraus sie bestehen; zum Beispiel:

Gefunden Berechnet Silber = 1000
Gefunden Berechnet
Blei, 1 Aeq.
Zinn, 3 Aeq.
36,99
63,01
11,96 11,86 375 372
–––––––
100,00
Blei, 1 Aeq.
Zinn, 4 Aeq.
30,56
69,44
12,17 12,14 381 381
–––––––
100,00

Um das theoretische Leitungsvermögen unserer Legirungen zu berechnen, multipliciren wir die Procentmenge jedes Metalles mit dem respectiven Leitungsvermögen dieses Metalles, addiren die Resultate zusammen und dividiren durch 100; z.B. in der Legirung Pb 3 Sn,

Pb 36,99 × 9,17 = 339,19
3 Sn 63,01 × 13,45 847,48
–––––––––––
100) 1186,67
–––––––––––

11,86 das theoretische Leitungsvermögen der Legirung.

Leitungsvermögen der Legirungen von Kupfer und Zink.

Erhalten Berechnet Silber = 1000
Erhalten Berechnet
Cu = 49,32
Zn = 50,68
21,95 22,92 688 718
Cu = 62,74
2 Zn = 67,26
13,65 21,91 428 687
Cu = 24,64
3 Zn = 75,36
16,95 21,44 531 672
Cu = 19,57
4 Zn = 80,43
18,80 21,14 589 663
Cu = 16,30
5 Zn = 83,70
19,00 20,95 595 657
|294|

Es ist wahrscheinlich, daß die Legirungen Cu 2 Zn und Cu 3 Zn chemische Verbindungen sind, denn sie haben nicht nur ein specielles Leitungsvermögen, welches weit niedriger ist als dasjenige der Metalle woraus sie bestehen, sondern sind auch vollkommen krystallisirt.

Die schönste aller Messinglegirungen ist die Legirung Cu Zn, welche aus 49,32 Proc. Kupfer und 50,68 Proc. Zink besteht; sie hat eine herrliche Goldfarbe und krystallisirt in Prismen, welche oft 3 Centimeter lang sind. Diese Krystalle sind auch wegen ihrer außerordentlichen Biegsamkeit interessant. Es ist auffallend, daß eine so wohlfeile Legirung nicht in Gebrauch kam, denn keine im Handel vorkommende Messingsorte enthält mehr als 30 bis 35 Proc. Zink. Wir können uns dieß nur dadurch erklären, daß wenn das Kupfer mit mehr als 50 Proc. Zink legirt wird, die entstehenden Legirungen nicht mehr die Farbe des Messings besitzen, sondern weiß wie Zink sind, daher die Messingfabrikanten niemals diese Metalle in dem angegebenen genauen Verhältniß zu vereinigen versuchten; eine Abweichung von nur wenigen Procenten in dem relativen Verhältniß der zwei Metalle liefert aber diese schöne Legirung schon nicht mehr, sondern nur noch eine weiße Legirung.

|285|

Die Resultate, welche die Verfasser hinsichtlich des Wärmeleitungsvermögens der Metalle und Legirungen erhielten, haben wir bereits nach den Comptes rendus im polytechn. Journal Bd. CLII S. 125 mitgetheilt; in der französischen Uebersetzung ihrer Abhandlung war aber das zur Bestimmung des Wärmeleitungsvermögens angewendete Verfahren weggelassen, welches wir hier – nebst weiteren Ergänzungen – aus dem englischen Original nachtragen. Der zweite Theil dieser Abhandlung, welcher die Untersuchungen der Verfasser über die Amalgame enthält, ist noch nicht veröffentlicht worden.

A. d. Red.

|291|

Polytechn. Journal Ad. CXLIX S. 364

|292|

Das Stabeisen war aus dem bei diesem Versuche angewandten Roheisen dargestellt; sie hatten folgende Zusammensetzung:

Roheisen.Stabeisen.
Kohlenstoff2,2750,296
Silicium2,7200,120
Phosphor0,6450,139
Schwefel0,3010,134
Mangan und AluminiumSpuren
Eisen 94,059 99,311
–––––––––––––––––––––––––
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