Titel: Fairbairn's experimentelle Untersuchungen um die Dichtigkeit des Wasserdampfes für jede Temperatur zu bestimmen.
Autor: Fairbairn, William
Tate, Thomas
Fundstelle: 1860, Band 155, Nr. I. (S. 1–6)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj155/ar155001

I. Experimentelle Untersuchungen um die Dichtigkeit des Wasserdampfes für jede Temperatur zu bestimmen; von William Fairbairn und Thomas Tate.

Vorgetragen vor der British Association for the Advancement of Science, 1859. – Aus dem Civil Engineer and Architect's Journal, November 1859, S. 365.

Mit Abbildungen auf Tab. I.

Ich beabsichtige im Folgenden die Skizze von einem Apparate und die Resultate der Versuche mitzutheilen, wodurch ich in Verbindung mit Hrn. Thomas Tate das Gesetz der Dichtigkeit des Wasserdampfes und anderer verdichtbarer Dämpfe direct auf experimentellem Wege zu ermitteln bezweckte, so daß die bisherigen Hypothesen bezüglich der Relation zwischen dem specifischen Volumen und der Temperatur des Wasserdampfes und anderer Dämpfe entweder bestätigt oder berichtigt werden mußten. Unsere Versuche wurden nach einem ganz neuen Princip durchgeführt, welches für jede Temperatur und jeden Druck, den Glasgefäße auszuhalten vermögen, anwendbar ist.

Hinsichtlich der permanenten Gase ist das Gesetz für die Relation zwischen Temperatur und Volumen als Gay-Lussac'sches oder Dalton'sches bekannt und wird ausgedrückt durch die Gleichung:

(V × P)/(V₁ × P₁) = (458 + t₁)/(458 + t) (1).

Die Dichtigkeit des Wasserdampfes wurde mit Genauigkeit durch directen Versuch bei der Temperatur von 212° F. – und nur bei dieser Temperatur – mittelst der Methode von Dumas bestimmt. Bei 212° F. ist seine Dichtigkeit eine solche, daß sein Volumen 1670mal so groß ist, als dasjenige des Wassers welches ihn erzeugte. Substituirt man diese Werthe von Volumen, Temperatur und Druck, so erhält man für das Dampfvolumen, welches eine Wassereinheit bei irgend einer andern Temperatur liefert,

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V – (1670 × 15)/670 × (458 + t)/P

oder

V = 37⅓ (458 + t)/P (2).

Dieses ist die bekannte Formel, auf welcher bis jetzt unsere Tabellen für die Dichtigkeit des Wasserdampfes fußten, nach denen wir die Leistung der Dampfmaschinen zu berechnen pflegen.

Theoretische Betrachtungen machen jedoch die Anwendbarkeit der obigen Formel auf den Wasserdampf und andere verdichtbare Dämpfe sehr zweifelhaft. Vor einigen Jahren kamen Dr. Joule und Professor William Thomson bei Anwendung der neuen dynamischen Wärmetheorie auf das Carnot'sche Gesetz zu dem Resultat, daß für Temperaturen über 312° F. hinsichtlich des Wasserdampfes eine bedeutende Abweichung von dem für die permanenten Gase geltenden Gesetze stattfindet. Später, im Jahre 1855, stellte Prof. Macquorn Rankine eine neue theoretische Formel für die Dichtigkeit des Wasserdampfes, unabhängig vom Gay-Lussac'schen Gesetze auf, welche die Vermuthung Thomson's bestätigt. Die Richtigkeit dieser Hypothesen muß jedoch noch durch directe Versuche nachgewiesen werden.

Die Dichtigkeit des Dampfes wird dadurch bestimmt, daß man ein bekanntes Gewicht Wasser in einer Glaskugel von bekanntem Inhalt verdampft und die Temperatur, bei welcher alles Wasser in Dampf verwandelt wird, genau beobachtet. Aus diesen drei Elementen, Volumen, Gewicht und Temperatur, ergibt sich das spec. Gewicht. Aber bei Anwendung dieser Methode müssen folgende zwei Schwierigkeiten überwunden werden: erstens ist man wegen des Dampfdruckes genöthigt die Glaskugel in einem starken und folglich undurchsichtigen Gefäße zu erhitzen; zweitens würde es, da mit einer Erhöhung der Temperatur über die Sättigungs-Temperatur der Dampf schnell an Volumen zunimmt, jedenfalls unmöglich seyn, durch das Auge die Temperatur zu bestimmen, bei welcher sämmtliches Wasser verdampft ist. Die Sättigungs-Temperatur, d.h. die Temperatur bei welcher sämmtliches Wasser in Dampf verwandelt worden ist, ohne daß ein Theil des Dampfes überhitzt wurde, muß aber mit der größten Genauigkeit bestimmt werden, sonst sind die Resultate werthlos.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, war ein genaues und empfindliches Verfahren zur Bestimmung des Sättigungspunktes erforderlich; diesem Zweck entspricht unser Sättigungsmesser (saturation gauge), in dessen Anwendung das Neue der gegenwärtigen Versuche besteht.

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Um das Princip des Sättigungsmessers zu verstehen, denke man sich zwei Kugeln A und B (Fig. 25) durch eine gebogene Röhre, welche bis a, b mit Quecksilber gefüllt ist, verbunden und in ein Bad gesetzt, worin sie auf jede erforderliche Temperatur erhitzt werden können. In jeder Kugel sey eine Toricellische Leere hergestellt worden, und man habe 20 Gran Wasser in A, und 30 oder 40 in B gebracht. Angenommen nun, die Temperatur werde langsam und gleichförmig um diese Kugeln herum erhöht, so wird das Wasser in jeder derselben verdampfen und sie mit Dampf füllen, dessen Dichtigkeit der angewandten Temperatur entspricht und mit deren Steigen größer wird. Zuletzt wird ein Punkt eintreten, wo sämmtliches Wasser in der Kugel A in Dampf verwandelt ist, und bei diesem Punkte wird die Quecksilbersäule bei a steigen und bei b sinken. Dieß ist das Zeichen der Sättigung; so lange nämlich die Verdampfung in beiden Kugeln A und B vor sich geht und die Temperatur eine gleichförmige ist, wird jede Kugel Dampf von gleicher Spannung enthalten und die Quecksilbersäulen a und b werden auf gleicher Höhe bleiben; sobald aber das Wasser in A verdampft ist und der Dampf anfängt überhitzt zu werden, hört der Druck in A auf mit dem in B gleich zu seyn und die Quecksilbersäule wird sogleich fallen und so die Differenz anzeigen. Durch die plötzliche Veränderung des Quecksilberstandes wird der Punkt angezeigt, bei welchem die Temperatur des Bades mit dem Sättigungspunkte des Dampfes in A correspondirt.

Als Beweis für die Empfindlichkeit dieser Probe führe ich an, daß bei 290° F. die Quecksilbersäule für jeden Temperaturgrad über dem Sättigungspunkte um beinahe zwei Zoll steigen würde, weil dann die Druckzunahme in Folge der Verdampfung zwölfmal so groß ist als diejenige in Folge der Expansion beim Ueberhitzen, und eine ähnliche Differenz findet bei anderen Temperaturen statt.

Der zu den Versuchen dienende Apparat erhält je nach dem beabsichtigten Drucke und anderen Umständen eine verschiedene Einrichtung. Fig. 26 stellt eine Anordnung desselben dar, welche mit Erfolg benützt wurde. Sie besteht in einer Glaskugel von ungefähr 70 Kubikzoll Inhalt, in welche, nachdem darin eine Toricellische Leere erzeugt wurde, die gewogene Wassermenge eingebracht wird. Die mit einem Stiel versehene Kugel A ist von einem kupfernen Kessel B, B umgeben, welcher durch eine starke Glasröhre C, C verlängert ist, die den Stiel der Kugel einschließt. Der kupferne Kessel bildet das Wasser- und Dampfbad, durch welches die Kugel erhitzt wird und entspricht der zweiten Kugel B in der ersten Figur. Die bewegliche Quecksilbersäule oder der Sättigungsmesser ist |4| unten in der Röhre C, C angebracht, und der Sättigungspunkt wird durch das Steigen der innern Quecksilbersäule a und das gleichzeitige Fallen der äußern Quecksilbersäule b angezeigt. Sobald sämmtliches Wasser in der Kugel A verdampft ist, steigt die innere Quecksilbersäule augenblicklich um das Gleichgewicht des Druckes herzustellen, und zwar zunehmend mit der Temperatur-Erhöhung.

Der Kessel kann bei E durch Gasstrahlen erhitzt werden und ist mit einem offenen Oelbade G versehen, um die Glasröhren auf derselben Temperatur wie den Kessel zu erhalten; dieses Oelbad ist auf ein Sandbad gesetzt und wird ebenfalls durch Gas erhitzt. Ein Thermometer D zeigt die Temperatur und ein Manometer F den Druck des Dampfes an; mittelst eines Ausblasehahns H kann die Temperatur nöthigenfalls vermindert werden.

Wir haben bereits eine Anzahl von Resultaten erzielt, aber sie sind noch nicht genügend vorgeschritten, um veröffentlicht zu werden.

Die folgenden Zahlen wurden annähernd mittelst der obigen theoretischen Formel berechnet und die durch Versuche erhaltenen Resultate denselben beigesetzt. Am zweckmäßigsten wird die Dichtigkeit des Dampfes durch die Anzahl der Volume ausgedrückt, auf welche sich das Wasser bei seiner Erzeugung ausgedehnt hat. So verwandelt sich ein Kubikzoll Wasser in 1670 Kubikzoll Dampf von 212° F., in 882 Kubikzoll Dampf von 215° F., und in 400 Kubikzoll Dampf von 304° F.; in dieser Weise wurden die folgenden Zahlen berechnet:

Dampfvolumen
Temperatur. nach der Formel. nach dem Versuch.
244° F. 1005 896
245° F. 969 890
257° F. 790 651
262° F. 740 680
268° F. 680 633
270° F. 660 604
283° F. 540 490

Diese Bestimmungen sind für die Pressungen von 10 bis 50 Pfd. Ueberdruck nicht genaue Reductionen aus den Versuchsresultaten, sondern nur annähernde; sie zeigen aber durchaus eine entschiedene Abweichung von dem Gesetze für permanente Gase, in dem schon von Prof. Thomson angegebenen Sinne; die Dichtigkeit ist nämlich immer größer als sie die Formel ergibt.

Ich hoffe der nächsten Versammlung der Gesellschaft mit Hülfe meines Freundes Tate eine Reihe von Resultaten vorlegen zu können, wodurch |5| wir über den Werth des überhitzten Dampfes vollkommen ins Klare kommen; wir werden nämlich seine Dichtigkeit und sein Volumen im Vergleich zum Druck, bei allen Pressungen, von der atmosphärischen bis zu 500 Pfd. auf den Quadratzoll, bestimmen.

––––––––––

Nach dem Vortrage dieses Berichtes machte Prof. Macquorn Rankine die Versammlung auf die Uebereinstimmung dieser Versuche mit der mechanischen Wärmetheorie aufmerksam. Folgende Formel wurde zuerst aus den thermodynamischen Principien von Prof. Clausius abgeleitet:

v – v' = JL/(t dp/dt),

worin v' das Volumen in Kubikfußen von 1 Pfd. Wasser, bei einer gegebenen Temperatur ist; v das Volumen in Kubikfußen von 1 Pfd. gesättigtem Dampf; L die latente Verdampfungswärme von 1 Pfd. Dampf, in gewöhnlichen Wärmeeinheiten ausgedrückt; J Joule's mechanisches Aequivalent einer Wärmeeinheit, dessen Werth für Fahrenheit's Scala 772 Fußpfund ist; t die absolute Temperatur = der Temperatur nach Fahrenheit's Scala + 461°,2; und dp/dt das Verhältniß, in welchem der Druck des gesättigten Dampfes sich mit der Temperatur ändert.

Hr. Rankine ließ vor einiger Zeit Tabellen über die Dichtigkeit und das Volumen des Wasserdampfes für den praktischen Gebrauch drucken, welche er in Ermangelung directer experimenteller Daten mittelst dieser theoretischen Formel berechnete. Folgende Tabelle zeigt, daß die Resultate der Formel nahezu mit jenen der Versuche von Fairbairn und Tate übereinstimmen.

Verhältniß des Dampfvolumens
zum Wasservolumen
Temperatur. nach der Theorie. nach dem Versuch
244° F. 936 896
245° F. 920 890
257° F. 756 751
262° F. 698 684
268° F. 635 633
270° F. 616 604
283° F. 506 490

Wie man aus dieser Tabelle ersieht, sind die theoretischen Resultate immer größer als die experimentellen, was sich vielleicht durch eine Differenz in dem angenommenen Werthe für die Dichtigkeit des Wassers erklären |6| läßt. Bei der theoretischen Berechnung wurde das Volumen des Wasserdampfes mit dem kleinstmöglichen Volumen eines gleichen Gewichtes Wasser verglichen, nämlich mit dem Volumen bei 39°,1 Fahr.

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