Titel: Schinz's pyrometrischer Apparat.
Autor: Schinz, C.
Fundstelle: 1862, Band 163, Nr. LXXXI. (S. 321–336)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj163/ar163081

LXXXI. Pyrometrischer Apparat; von C. Schinz.

Mit Abbildungen auf Tab. V.

Unter den Anwendungen der Wärme-Meßkunst sind diejenigen die ökonomisch wichtigsten, welche sich auf sehr hohe Temperaturen beziehen. Das Studium und die Vervollkommnung derselben sind aber sehr gehemmt durch den Mangel eines geeigneten Pyrometers.

Diesem Mangel abzuhelfen, war daher seit Jahren mein eifrigstes Bestreben, und die folgende Mittheilung ist das Resultat, zu welchem mich meine Bemühungen geführt haben.

Ueber das Pyrometer von Wedgwood ist es Wohl nicht nöthig eine Kritik anzustellen.

Diejenigen Pyrometer, welche auf der Ausdehnung fester Körper beruhen, sind für sehr hohe Temperaturgrade ganz unbrauchbar, weil einerseits der Ausdehnungs-Coefficient bei zunehmender Temperatur nach einem unbekannten Gesetze wächst, und andererseits die Abkühlung in dem Momente, wo man den Körper aus dem Ofen entfernt, im Verhältniß zu der absorbirten Wärme außerordentlich groß ist.

Ganz dieselben Ursachen stehen der Anwendung der pyrometrischen Methode entgegen, welche sich auf die specifische Wärme stützt.

Die photometrische Methode entbehrt der Kenntniß des Gesetzes, welches das Verhältniß zwischen Temperatur und Lichtstärke festsetzt.

Das Verfahren, die Temperatur durch schmelzende Metalle oder Legirungen zu bestimmen, gibt unter den bisher erwähnten Methoden die besten Anhaltspunkte; wenn man aber bedenkt, daß selbst die Schmelzpunkte der einfachen Metalle noch nicht mit Sicherheit bestimmt sind, und daß die Schmelzpunkte von Legirungen keineswegs dem berechneten mittleren Schmelzpunkte ihrer Bestandtheile entsprechen, so muß zugestanden werden, daß auch diese Bestimmungsart unmöglich zuverlässige, in Thermometergraden ausdrückbare Resultate zu geben vermag.

Die Wärme-Leitungsfähigkeit der Metalle zum Messen hoher Temperaturen zu benutzen, ist deßhalb unzulässig, weil der Contact mit der |322| zu messenden Wärmequelle unmöglich gleichförmig gemacht werden kann, und überdieß die Abkühlung in dem der Wärmequelle zugekehrten Stücke von der benachbarten Ofenwand mehr oder weniger beeinflußt wird.

Das thermoelektrische Pyrometer von Pouillet ist wohl nur für Temperaturen anwendbar, bei welchen das den einen Bestandtheil der Säule bildende Eisen seinen Aggregatzustand nicht ändert.

Das Luftpyrometer von Regnault 52) ist das einzige Instrument, welches unter Anwendung sehr vieler Vorsichtsmaßregeln und in den Händen eines geschickten Experimentators zuverlässige und in Thermometergraden ausdrückbare Resultate zu geben vermag.

Diese Eigenschaft verliert aber das Instrument, sobald dasselbe in der Praxis außerhalb dem Laboratorium benutzt werden soll, da vor einem großen heißen Ofen und in unmittelbarer Nähe desselben die erforderlichen Vorsichtsmaßregeln unanwendbar sind; es wären dazu wenigstens sehr complicirte Vorrichtungen und eine große Geschicklichkeit erforderlich, weßhalb dieses Instrument dem Praktiker nicht zusagen würde.

Um häufige Beobachtungen anstellen zu können, ist ein Apparat nöthig, welcher leicht gehandhabt und schnell und mühelos in Function gesetzt werden kann, überdieß keine gar zu große Geschicklichkeit beansprucht.

Dieser Anforderung wird am besten genügt, wenn man die Leitungsfähigkeit der Ofenwand als pyrometrisches Mittel benutzt. Es ist dann nur nothwendig, die Temperatur der äußeren Wandfläche genau zu bestimmen, um daraus die Temperatur der inneren Fläche durch einfache Rechnung zu erhalten, da diese beiden Temperaturen nothwendig in einem gewissen Verhältnisse zu einander stehen.

Hierzu ist es erforderlich, einerseits die Leitungsfähigkeit der Wand zu kennen, und andererseits die Mittel zu haben, durch welche sich die Temperatur der äußeren Fläche genau bestimmen läßt.

Denken wir uns eine hohle Kugel, deren Wände eine gewisse Dicke haben, und welche aus der Substanz besteht, deren Leitungsfähigkeit man prüfen will; der hohle Raum im Innern dieser Kugel sey mit warmem Wasser von bekannter Temperatur und bekanntem Gewicht gefüllt, und dann die Kugel in ein bekanntes Gewicht von kaltem Wasser getaucht, so wird das warme Wasser im Innern der Kugel zuerst Wärme an die Substanz abgeben, aus der die Kugel besteht, und dann wird die Wärme durch diese hindurchgehen und das kalte Wasser dieselbe aufnehmen.

Hätte das heiße Wasser das Gewicht 10 Pfd. (5 Kilogr.) gehabt, |323| und wäre dessen Temperatur 80° C. gewesen, hätte das kalte Wasser 40 Pfd. gewogen und 10° gehabt, und hätte nach einiger Zeit das Wasser in der Kugel 75° und das Wasser außerhalb 11°, so hat ersteres 50 Wärmeeinheiten verloren und letzteres 40 W. E. aufgenommen, und es sind also in dieser Zeit 40 W. E. durch die Kugel gegangen und 10 W. E. von derselben absorbirt worden.

Angenommen, die Zeit in welcher diese 40 W. E. durchgegangen sind, habe 126 Secunden betragen, so ist die Transmission per Stunde = (3600 . 40)/126 = 1143 W. E. gewesen.

Es habe ferner die Kugel eine Oberfläche von 2,3 Quadratfuß gehabt, so ist die per Stunde und per Quadratfuß durchgegangene Wärmemenge = 1143/2,3 = 497 W. E.

Hätte endlich die Kugel 0,2 Fuß Wanddicke = e gehabt, so würde die Transmission für eine 1 Fuß dicke Wand = 497 . 0,2 = 99,4 W. E. betragen.

Nun ist noch zu bestimmen, bei welcher Temperatur-Differenz zwischen der inneren und der äußeren Kugelwand, diese Transmission stattgefunden hat.

Nachdem die Wand die ihr zuströmende Wärme absorbirt hatte, war die Temperatur des Wassers in der Kugel noch 79°, und am Ende des Versuchs 75°, daher die mittlere Temperatur desselben = t = (79 + 75)/2 = 77°.

Die Temperatur des Wassers, welches die Kugel umgab, war anfangs 10°, und nach dem Versuche 11°, daher dessen mittlere Temperatur = t'' = (10 + 11)/2 10°,5.

Erfahrungsgemäß transmittirt 1 (metrischer) Quadratfuß Fläche an Wasser per Stunde 778 W. E. = Q, wenn diese Fläche eine Temperatur hat, die um 1° höher ist als diejenige des sie berührenden Wassers. Daher ist die Temperatur der Kugelwand 497/778 = 10°,5 = t' = 11°,14 gewesen.

Wir haben somit:

Q = Transmissions-Coefficient für Wasser = 778 W. W.
e = Wanddicke = 0,2 Fuß.
t = Temperatur der inneren Wandfläche = 77°.
t' = „ der äußeren „ = 11°,14.
t'' = „ des Wassers außer der Kugel = 10°,5.
|324|

Die Leitungsfähigkeit des Materials, woraus die Kugel besteht = C, per Stunde pro 1 Quadratfuß – für die Wanddicke 1 Fuß und für 1° Temperatur-Differenz zwischen der inneren und äußeren Wandfläche – bestimmt, wird in Wärmeeinheiten ausgedrückt, und ist:

Textabbildung Bd. 163, S. 324

in unserem Falle

Textabbildung Bd. 163, S. 324

Ist einmal C bekannt und t' und t'', so können wir t bestimmen durch:

Textabbildung Bd. 163, S. 324

Ebenso läßt sich t' bestimmen durch:

Textabbildung Bd. 163, S. 324

Im Vorhergehenden ist im Allgemeinen eine der Methoden angegeben, durch welche die Leitungsfähigkeit verschiedener Körper bestimmt werden kann, und es ist nicht nöthig genauere Angaben über diese Methode zu geben, da wir dieselbe nicht ferner in Anwendung bringen, weil es nicht nur sehr schwierig, sondern sogar unmöglich seyn würde, alle auf ihre Leitungsfähigkeit zu untersuchenden Materialien in die Form von gleichförmig dicken hohlen Kugeln zu bringen. Sonst muß allerdings anerkannt werden, daß diese Methode die natürlichste ist, da nicht nur das Wasser als wärmeaufnehmende Flüssigkeit große Genauigkeit in der Beobachtung zuläßt, sondern auch die transmittirende Wärme der ganzen Fläche in Rechnung kommt.

Da, wie die vorstehenden Formeln zeigen, die Leitungsfähigkeit aus t, t', und t'' bestimmt werden kann, so kann auch eine andere Methode angewandt werden, wobei diese letzteren drei Werthe durch Beobachtung erhoben werden. Nur ist es dann nöthig, daß die Transmission der Wärme durch die zu prüfende Substanz hindurch – anstatt an Wasser, an Luft – stattfinde, wodurch dann der Werth von Q ein mit der Temperatur-Differenz wechselnder wird.

Dieses Verfahren besteht im Allgemeinen darin, daß man eine thermoelektrische Säule zwischen zwei Flächen bringt, von denen die eine durch den von einer Seite mit Dampf geheizten zu untersuchenden Körper gebildet ist, die andere aber aus einem mit Wasser gefüllten dünnen Metallgefäße besteht, dessen Temperatur willkürlich verändert werden kann, |325| bis das mit der Säule verbundene Rheometer auf 0 steht und dadurch anzeigt, daß die zugekehrten Flächen von einerlei Temperatur sind. Da nun die Temperatur des Wassers direct durch das Thermometer angegeben werden kann, die Temperatur der anderen Fläche aber dieselbe ist, so erhält man dadurch den Werth von t'.

Die Werthe von Q sind dann nach der Formel von Dulong:

Q = S m a t'' (a t0 – 1) + Lnt 0b

zu berechnen, in welcher t'' dieselbe Bedeutung hat wie oben, t⁰ die Temperatur-Differenz der transmittirenden Fläche gegen diejenige der Luft bezeichnet, S den Strahlungs-Coefficienten der Fläche, und L den Transmissions-Coefficienten für die Luft. a ist = 1,0077; m und n sind zwei Constante.

Da die Wärme-Transmission sich auf l⁰ Temperatur-Differenz = t' – t'' = t⁰ bezieht, so ist obige Formel noch durch t⁰ zu dividiren, und wir erhalten:

Q = (S m a t'' (a t0 – 1) + Lnt 0b)/t⁰

Die Werthe von S und L sind nach der Natur der wärmeausstrahlenden Fläche und nach der Höhe derselben zu bestimmen.

Die Werthe für S sind: 0,7218 für Kienruß,
0,6786 für Papier,
0,6678 für Oelfarbe-Anstrich.

Damit beide Flächen gleiche Temperatur anzeigen, ist nothwendig, daß beide gleiche Strahlung haben; zu diesem Ende hat Peclet beide Flächen mit Papier überzogen, ich habe es aber bequemer gefunden, sie mit Oelfarbe anzustreichen, da Papier an manchen Flächen nicht leicht haftet.

Der Transmissions-Coefficient L wechselt mit der Höhe der sich abkühlenden Fläche; da die Luft, indem sie unten an die verticale Fläche antritt, sogleich Wärme aufnimmt und dann an der Fläche emporsteigt, und je höher sie heraufkommt, eine immer kleiner werdende Temperatur-Differenz hat, so ist die Transmission an den höher gelegenen Stellen kleiner, an den tiefer gelegenen Stellen größer; der Werth von L muß also die mittlere Transmission bestimmen, und ist:

L = 0,3175 + 0,209/√h

worin h die Höhe der Fläche in Fußen ausdrückt.

Ist nun h = 0,3', so wird der Werth von L = 0,7054.

|326|

Die Werthe von Q für t₀ = t't'' = 30° bis 249° habe ich in folgender Tabelle zusammengestellt, vermittelst welcher die Beobachtungsresultate mit dem nun zu beschreibenden Apparate zu berechnen sind.

Werthe von Q zur Bestimmung der Leitungsfähigkeit verschiedener Körper.

Werth von S = 0,6678 für Oelfarbe-Anstrich.
„ von L = 0,7054 für Platten von 9 Centimeter = 3'' Höhe.
Werthe von:
t Q t Q t Q
1,3238 45° 1,83221 85° 2,1438
6 1,3568 46 1,84051 86 2,1513
7 1,3800 47 1,84877 87 2,1587
8 1,4030 48 1,85746 88 2,1662
9 1,4222 49 1,86487 89 2,1738
10 1,4416 50 1,87348 90 2,1813
11 1,4592 51 1,88094 91 2,1889
12 1,4761 52 1,89004 92 2,1967
13 1,4916 53 1,89810 93 2,2038
14 1,5068 54 1,90832 94 2,2113
15 1,5215 55 1,91421 95 2,2187
16 1,5353 56 1,92212 96 2,2264
17 1,5488 57 1,93000 97 2,2337
18 1,5620 58 1,93801 98 2,2439
19 1,5745 59 1,94585 99 2,2488
20 1,5867 60 1,95371 100 2,2564
21 1,5989 61 1,96153 101 2,2640
22 1,6104 62 1,96893 102 2,2714
23 1,6221 63 1,97696 103 2,2790
24 1,6330 64 1,98467 104 2,2868
25 1,6441 65 1,99246 105 2,2942
26 1,6551 66 1,99872 106 2,3017
27 1,6652 67 2,00780 107 2,3093
28 1,6757 68 2,01460 108 2,3160
29 1,6857 69 2,02320 109 2,3245
30 1,69514 70 2,0307 110 2,3321
31 1,70554 71 2,0385 111 2,3398
32 1,71541 72 2,0437 112 2,3475
33 1,72488 73 2,0534 113 2,3549
34 1,73231 74 2,0610 114 2,3627
35 1,74650 75 2,0687 115 2,3701
36 1,75306 76 2,0766 116 2,3782
37 1,76236 77 2,0837 117 2,3860
38 1,77130 78 2,0917 118 2,3936
39 1,78021 79 2,0988 119 2,4024
40 1,78909 80 2,1052 120 2,4091
41 1,79775 81 2,1112 121 2,4170
42 1,80658 82 2,1193 122 2,4247
43 1,81517 83 2,1288 123 2,4325
44 1,82391 84 2,1373 124 2,4402
|327|
Werthe von:
t Q t Q t Q
125° 2,4482 174° 2,8611 223° 3,3570
126 2,4559 175 2,8702 224 3,3693
127 2,4669 176 2,8794 225 3,3795
128 2,4746 177 2,8887 226 3,3909
129 2,4797 178 2,8979 227 3,4023
130 2,4880 179 2,9073 228 3,4139
131 2,4958 180 2,9166 229 3,4254
132 2,5035 181 2,9231 230 3,4368
133 2,5116 182 2,9353 231 3,4486
134 2,5197 183 2,9448 232 3,4602
135 2,5288 184 2,9542 233 3,4719
136 2,5357 185 2,9637 234 3,4837
137 2,5438 186 2,9746 235 3,4956
138 2,5519 187 2,9831 236 3,5074
139 2,5568 188 3,9926 237 3,5191
140 2,5683 189 3,0020 238 3,5316
141 2,5757 190 3,0120 239 3,5436
142 2,5844 191 3,0218 240 3,5558
143 2,5927 192 3,0316 241 3,5681
144 2,6010 193 3,0413 242 3,5805
145 2,6092 194 3,0512 243 3,5926
146 2,6175 195 3,0612 244 3,6051
147 2,6258 196 3,0715 245 3,6173
148 2,6342 197 3,0811 246 3,6299
149 2,6398 198 3,0911 247 3,6423
150 2,6510 199 3,1051 248 3,6552
151 2,6593 200 3,1113 249 3,6679
152 2,6677 201 3,1215 250 3,6806
153 2,6757 202 3,1317 251 3,6936
154 2,6847 203 3,1420 252 3,7063
155 2,6933 204 3,1533 253 3,7192
156 2,7052 205 3,1627 254 3,7318
157 2,7102 206 3,1702 255 3,7453
158 2,7179 207 3,1835 256 3,7584
159 2,7277 208 3,1940 257 3,7716
160 2,7363 209 3,2045 258 3,7849
161 2,7457 210 3,2164 259 3,7986
162 2,7552 211 3,2257 260 3,8117
163 2,7621 212 3,2367 261 3,8251
164 2,7713 213 3,2471 262 3,8387
165 2,7803 214 3,2568 263 3,8522
166 2,7876 215 3,2687 264 3,8660
167 2,7980 216 3,2789 265 3,8797
168 2,8104 217 3,2903 266 3,8938
169 2,8173 218 3,3063 267 3,9074
170 2,8247 219 3,3124 268 3,9213
171 2,8339 220 3,3235 269 3,9351
172 2,8428 221 3,3345
173 2,8519 222 3,3457
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Apparat zur Bestimmung der Leitungsfähigkeit des Materials der Ofenwand. – Fig. 1 zeigt denselben im Längendurchschnitt.

A ist die thermoelektrische Säule; B ein Wassergefäß mit darunter gestellter Weingeistlampe; C ein quadratisches Stück des zu prüfenden Materials; d eine quadratisch ausgeschnittene Eisenblechscheibe, an der vier Schrauben befestigt sind, die das Stück C gegen eine ebenfalls ausgeschnittene Kautschukscheibe e und gegen das Blechgefäß F drücken, indem die Schraubenmuttern f, f über der Platte g, g fest angezogen werden. H ist ein kleiner kugelförmiger Dampfkessel mit darunter gestellter Weingeistlampe. Der Dampf wird in das Gefäß F geleitet, und kommt so mit der Rückseite des Körpers C in Berührung. Das condensirte Wasser wird durch die kleine Röhre i abgeleitet.

Die thermoelektrische Säule A ist mit einem Rheometer, welches in der Figur nicht sichtbar ist, in leitender Berührung.

k, k sind zweiwandige hohle Schieber, durch welche die Luft strömen kann; dieselben werden im Momente der Beobachtung weggehoben.

Fig. 2 zeigt einen transversalen Durchschnitt durch das Wassergefäß B, mit dem darin eingetauchten genauen Thermometer.

Fig. 3 ist ein Durchschnitt der thermoelektrischen Säule, wie dieselbe in der, der Luftströmung Spielraum gebenden Doppelrinne liegt. Die Säule besteht aus 30 runden Wismuthstäben von 5 Millimetern Durchmesser und 70 Millimet. Länge, und aus 30 Kupferdrähten von 2 Millim. Durchmesser von gleicher Länge. Dieselben sind durch Carton und Siegellack von einander isolirt, und die gelötheten Enden ragen 5 Millimeter aus dieser Einbettung hervor. Das Ganze ist in eine Blechumhüllung eingeschlossen.

Was die Platte des zu prüfenden Materiales C anbetrifft, so ist dieselbe im senkrechten Querschnitte quadratisch, und für einen und denselben Apparat immer von gleichen Dimensionen zu machen, die Dicke derselben kann wechseln; ist das Material ein sehr stark leitendes, so ist es gut derselben 2 Zoll Dicke zu geben, bei geringerer Leitungsfähigkeit kann auch 1 Zoll Dicke genügen. Die dem Dampfe zugekehrte Fläche muß, wenn das Material porös ist, mit einem Ueberzuge versehen werden, der das Eindringen des Dampfes verhindert. In den meisten Fällen genügt dazu ein zweimaliger Anstrich mit Oelfarbe. Ist die zu prüfende Substanz pulverförmig, so dient ein oben offenes Blechgefäß, welches die Form und Größe der Platten hat und statt dieser vor dem Dampfgefäße F befestigt wird. Damit das zu prüfende Material vollkommen mit der Wärme, die dem Dampfe zukommt, gesättigt sey, ist es nothwendig denselben |329| 1, 2 bis 3 Stunden auf die Platte einwirken zu lassen, ehe man zu einer Bestimmung schreitet. Um zu erproben ob die Platte mit Wärme gesättigt sey, öffnet man jede halbe Stunde den Schieber k, welcher vor der Platte steht, und beobachtet die Zahl der Grade, welche das Rheometer gibt; ist diese Zahl bei zwei sich folgenden Beobachtungen gleich, so ist dieß ein Beweis daß die Platte entsprechend gesättigt ist.

Bei Beobachtung der Multiplicatornadel muß man die Wärme 1 bis 2 Minuten lang auf die Säule wirken lassen, damit sie stationär wird; nachdem der Schieber k wieder eingesetzt ist, geht die Multiplicatornadel nur langsam zurück, weil die Säule eine gewisse Menge von Wärme absorbirt hat, die nun wieder zerstreut werden muß. Es ist daher sehr zu empfehlen, den Schieber nie länger offen zu lassen, als durchaus nothwendig ist um die Beobachtung machen zu können, 2 Min. reichen gewöhnlich dazu aus. Bei jeder Beobachtung ist die Nadel des Multiplicators in Schwingung zu bringen, was durch Annäherung eines kleinen Magnetstabes leicht zu bewerkstelligen ist; der Zweck dieses Kunstgriffes ist die Trägheit zu überwinden, welche sie dem Strom entgegensetzt.

Diese Vorsicht wäre nicht nur überflüssig, sondern sogar unbequem, wenn das Rheometer von gewöhnlicher Einrichtung wäre, wobei die astatischen Nadeln an einem Coconfaden hängen; ein so empfindliches Instrument ist im Laboratorium und von geschickten Händen zu gebrauchen, aber in der Hütte und in der nächsten Nähe der auf ihre Temperatur zu prüfenden Oefen würde eine Nadel am Coconfaden nur schwer zur Ruhe zu bringen seyn; außerdem muß das Instrument zu praktischem Gebrauche leicht transportirbar seyn, und auf keine Weise leicht in Unordnung kommen. Das Rheometer welches ich daher für diesen Zweck anwende, besteht einfach in einer Dose aus Messing, die auf drei Stellschrauben ruht, aus 30 Windungen von mit Seide übersponnenem Kupferdraht von 1 Millimeter Dicke, dann zwei rhombischen Nadeln von dünnem Stahlblech, die so asiatisch gemacht sind, daß sie sich mit schwacher Intensität in dem magnetischen Meridian einstellen, und zwar so, daß sie in 6 Secunden nur eine Schwingung machen. Die obere Nadel ist mit Achathütchen versehen, und läuft auf einer feinen Stahlspitze; die untere Nadel ist durch einen gabelförmigen Draht an der oberen aufgehängt. Da der thermoelektrische Strom auf die Nadeln am mächtigsten wirkt, wenn dieselben nur sehr wenig vom magnetischen Meridian abgelenkt werden, so kann 1/2° des Thermometers durch das Rheometer noch deutlich angegeben werden, wenn die Säule nicht allzu weit von den erwärmten Flächen entfernt ist. Dieß ist z.B. der Fall, wenn diese Entfernung nur 5 Centimeter beträgt; bei 24 Centimeter Entfernung |330| gehen schon 3 Thermometergrade auf 1° des Rheometers. Es versteht sich, daß die Multiplicatordose mit einer Glasplatte zugedeckt ist, und daß die Nadeln zum Transport von der Spitze abhebbar gemacht sind.

Ist nun die zu untersuchende Substanz auf eine constante Temperatur gebracht, so wird das Wasser im Gefäße B auf eine höhere Temperatur erwärmt als die Substanz hat; nachdem die Lampe entfernt ist, wird das Wasser umgerührt, damit es eine gleichförmige Temperatur annehme, die zwar nie gleichförmig bleibt, aber wenn die Thermometerkugel in der Mitte hängt, so wird doch sehr nahe die mittlere Temperatur angegeben.

Man zieht nun gleichzeitig beide Schieber k, k; findet man dabei, daß das Rheometer mehr als 1° von 0 abweicht, so werden die Schieber sogleich wieder in die Rinne gestellt und von Zeit zu Zeit wieder weggenommen, bis die Temperatur des Wassers am Rheometer 1° zeigt. Man läßt nun beide Schieber offen, notirt die Temperatur des Wassers, beobachtet und notirt dann dessen Temperatur wenn das Rheometer auf 0 steht, und endlich wenn dasselbe um 1° zurückgegangen ist. Das Mittel dieser drei Temperaturen des Wassers kann mit ziemlicher Sicherheit als die Temperatur angenommen werden, welche der Oberfläche der zu untersuchenden Substanz zukommt.

Besondere Genauigkeit ist bei der Bestimmung der Dicke der untersuchten Platte nothwendig, da schon eine Zehntels-Linie eine sehr beträchtliche Differenz im Rechnungsresultate macht. Sollte die Platte nicht überall völlig gleich dick seyn, so muß sie durch Schleifen gleich dick gemacht werden.

Dieser Apparat und diese Methode zur Bestimmung der Leitungsfähigkeit verschiedener Materialien stehen der zuerst beschriebenen Methode nach, insofern die Seitenwände der Tafeln C Wärme zerstreuen und daher die Temperatur der Fläche, welche bestimmt werden soll, vermindern; könnte man diese seitliche Transmission auf irgend eine Weise ganz aufheben, so würde diese Methode jeder anderen vorzuziehen seyn, da dieß aber nicht möglich ist, so nützt es auch nichts diese Transmission, wie Peclet gethan hat, durch eine Umhüllung beschränken zu wollen, weil es ganz gleichgültig ist, ob wir den zur Correction nöthigen Coefficienten etwas größer oder etwas kleiner nehmen, wenn nur die Temperatur-Erniedrigung stets der Dicke e und der Fläche gegen die Säule proportional bleibt, und dieß wird geschehen, wenn die Platten C stets gleichen Verticalschnitt haben.

Um den für die Correction nothwendigen Coefficienten zu finden, hat Peclet einige Versuche nach der ersten Methode angestellt und die daraus erhaltenen Bestimmungen mit denjenigen verglichen, welche die |331| zweite Methode mit demselben Material ergab. Seine mit Holz umhüllten Platten hatten 20 Centimeter Höhe und Breite, und hierzu stimmte der Coefficient 1,203, welcher mit dem Werthe von Q zu multipliciren ist. Um bei identischem Material gleiche Resultate mit Peclet zu erhalten, verlangen unumhüllte Platten von 11 Centimetern Seite den Coefficienten 1,5496. Es versteht sich von selbst, daß dieser Coefficient ein anderer wird, sobald der senkrechte Querschnitt der Platten C verändert wird.

Bezeichnen wir diesen Corrections-Coefficienten mit φ, so wird die Formel

Textabbildung Bd. 163, S. 331

Auf diese Weise habe ich eine Reihe von Materialien untersucht, welche zur Construction von Verbrennungsapparaten angewandt werden, und folgende Resultate erhalten:

Material. Dicke der Platten = e t' t'' C Spec. Gewicht.
Tannenholz, parallel den Fasern 0,137' 32° 15° 0,1020
Feuerfeste Steine:
von Bellelay, porös 0,137 52 20 0,2428 1,003
dtto. 0,137 56 20 0,3045 1,405
dtto. 0,137 55 20 0,2884 1,000
dtto. 0,143 55 20 0,3790 1,258
von Aschau, porös 0,190 48,5 19 0,2842 1,327
dtto. 0,210 47 17,8 0,3022 1,490
dtto. gewöhnliche 0,223 44 15 0,3017 1,929
von Deffernick, porös 0,178 51 13,5 0,3730 1,250
dtto. gewöhnliche 0,183 56 16 0,4612 1,927
von Zell a./H., gewöhnliche 0,183 54 17 0,4020 1,800
von Münster in Nassau 0,183 52,5 15,2 0,3925 1,880
Aschauer Glashafenwand 0,133 60 17 0,4022 1,858
Ordinäre Backsteine:
von Offenburg 0,166 51,5 15,5 0,3347 1,700
von Basel, durchhält um 30 Proc. 0,213 42 16 0,2449 1,316

Man ersieht aus dieser Tabelle, daß wohl specifisch schwerere Materialien im Allgemeinen die Wärme mehr leiten als specifisch leichte, daß aber dennoch die Leitungsfähigkeit auch durch die übrige Natur des Materials modificirt wird.

Die Temperatur der Ofenwand kann nun auf analoge Weise bestimmt werden, und wenn die Leitungsfähigkeit des Materials derselben |332| so wie deren Dicke genau ermittelt sind, daraus die Temperatur des Ofens selbst = t, gefunden werden durch:

Textabbildung Bd. 163, S. 332

Da aber schon bei sehr geringer Leitungsfähigkeit des Materials und 8 Zoll Wanddicke die Temperatur der Oberfläche meist höher als 100° C. werden wird, so können wir das Wasser nicht mehr zur thermometrischen Bestimmung brauchen. Wäre z.B. die Temperatur im Ofen = t = 1887°, die Temperatur der Luft = t'' = 15°, die Dicke der Wand = e = 0,8', und die Leitungsfähigkeit derselben = C = 0,25, so hätten wir:

Textabbildung Bd. 163, S. 332

Wir müssen daher das Wasser gegen eine Substanz vertauschen, welche höhere Temperaturen anzuzeigen vermag.

Dazu dient nun Stearinsäure und ein hart gelöthetes Gefäß von Kupfer, welches übrigens dieselbe Einrichtung haben kann wie das Wassergefäß. Dieselbe thermoelektrische Säule und dasselbe Rheometer können auch zu dieser Bestimmung dienen; dagegen kann die Säule nicht so nahe an die warmen Flächen gerückt werden, wie bei der Bestimmung der Leitungsfähigkeit, weil die große Masse des Ofens in solcher Nähe störend einwirken würde.

Erinnern wir uns an die Bestimmung des Werthes von L, welcher einer der Factoren der Wärme-Transmission an Luft ist, so ist leicht einzusehen, daß der Apparat so angeordnet werden muß, daß die Luftströmung an den sich gegenüberstehenden Flächen eine gleiche werde.

Dieß ist nun bloß dadurch erreichbar, daß wir die Rinne, worin die Säule liegt, genau an die Ofenwand anstoßen lassen, und damit von der Ofenwand eine Fläche isoliren, welche derjenigen des Stearinsäure-Gefäßes gleichkommt. Die Ofenwandfläche welche über der Rinne hervorragt, ist von keinem Einflusse mehr auf die Temperatur desjenigen Stücks Ofenwand, welches von der Rinne eingeschlossen wird; wohl aber kann die strahlende Wärme, welche von derselben ausgeht, auf die Säule wirken, daher diese höher gelegenen Theile der Ofenwand durch einen Schirm zu schützen sind, der die strahlende Wärme vom Apparate abhält.

Die Genauigkeit der Bestimmung der Ofentemperatur hängt nun von der Leitungsfähigkeit und Dicke der Wand ab, an welcher die Messung vorgenommen wird.

Nehmen wir als Dicke = e = 8 Zoll, und für die Leitungsfähigkeit |333| successive 0,4; 0,3; 0,2 und 0,1, so wird die zu beobachtende äußere Temperatur der Wand = t' bei t'' = 15° und t = 1800°

Textabbildung Bd. 163, S. 333

Es kämen also auf je 1° innerer Ofen-Temperatur = t je

7,6° ; 8,8° ; 11,0° ; 17,0°

Wand-Temperatur = t', woraus folgt, daß genauere Resultate mit einer besser leitenden, oder, was auf dasselbe hinauskommt, mit einer weniger dicken Wand erhalten werden.

Apparat zur Bestimmung der Temperatur der Ofenwand. – Fig. 4 stellt denselben im Längendurchschnitt dar, Fig. 5 im horizontalen Durchschnitte. A ist die thermoelektrische Säule, B das Stearinsäure-Gefäß; C ist ein Stück der Ofenwand, welches, so weit es von der Rinne eingefaßt wird, mit Oelfarbe angestrichen ist, insoferne die der Säule zugekehrte Fläche des Gefäßes B einen solchen Ueberzug hat. K, K sind zwei Schieber, wie die früher beschriebenen. L, L sind zwei Holzklötze zur Unterstützung der Rinne M, M. N ist die Weingeistlampe unter dem Stearinsäure-Gefäß B. O ist ein Ständer, welcher über die Rinne gestellt wird; er ist mit zwei Zargen versehen, in welche die Thermometer p und q eingeklemmt sind. Die Kugel des Thermometers p ragt in die Mitte der geschmolzenen Stearinsäure in B hinein; das Thermometer q dient zur Bestimmung der Luft-Temperatur = t''.

Figur 6 stellt einen Querschnitt der Rinne M, M in größerem Maaßstabe dar. Dieselbe ist von Zinkblech angefertigt. Wie die Zeichnung zeigt, sind die Wände doppelt, hohl und in verschiedene Canäle getheilt; diese Canäle sind in der Nähe des Bodens der Rinne offen, und dienen dazu, die Luft in der Rinne sich frei bewegen zu lassen, ohne daß eine wechselnde ungleiche Strömung stattfinden kann.

Die Nähe eines sehr heißen Ofens, welcher nach allen Seiten Wärmestrahlen aussendet, macht jede genaue Beobachtung unmöglich; selbst schlecht leitende Schirme werden bald heiß und wirken auf die Säule. Diesem Uebelstande habe ich dadurch abgeholfen, daß ich ein mit Wasser gefülltes Gefäß, wie es Fig. 8 im Durchschnitte und Fig. 9 in vorderer Ansicht zeigt, an die Ofenwand stelle und die Rinne genau in die Oeffnung a passe. Da aber auch das Wasser bald eine höhere Temperatur annimmt, so ist dasselbe öfter zu erneuern. Zu diesem Ende wird die Dille b durch einen Kautschukschlauch mit einem höher gelegenen Gefäße verbunden, und |334| durch die Dille c dem bereits erwärmten Wasser ebenfalls durch einen Kautschukschlauch Abfluß gegeben.

Die Rinne M, M muß genau sowohl an die Ofenwand C als an das Gefäß B anstoßen, damit kein Luftstrom außer der Rinne an den beiden Flächen stattfinde.

Dieser Contact mit der Rinne, welcher in erster Linie nochwendig ist, hat jedoch den Nachtheil, daß die Rinne selbst von diesen Endpunkten aus erwärmt wird, was auf die Säule und auf den Multiplicator wirken kann. Wenn indessen die Temperatur der beiden Flächen bald gleich ist, so kann dieser Einfluß nicht mehr störend seyn; übrigens kann doch, bis dieser Zeitpunkt eintritt, die Säule selbst eine ungleiche Temperatur bekommen, die sich dann nicht so leicht ausgleicht. Um eine Ausgleichung zu bewirken, ziehe ich denjenigen der Schieber K welcher auf der kälteren Seite der Säule ist, bis das Rheometer auf 0° zurückgeht und nach Schließung des Schiebers bleibt.

Sonst ist das Verfahren ganz dasselbe wie dasjenige zur Bestimmung der Leitungsfähigkeit des Materials der Ofenwand; die beobachtete Temperatur im Gefäße B gibt den Werth = t'.

Hätte man z.B. die Außenfläche der 0,755° dicken Ofenwand = e, von der Leitungsfähigkeit 0,4 = C und bei einer äußeren Temperatur = 15°,6 = t'', gleich 276°,5 = t' gefunden, so wäre die Temperatur der inneren Wand:

Textabbildung Bd. 163, S. 334

Bei dieser Bestimmung der Temperatur des Ofens wird aber, genau genommen, nur diejenige seiner inneren Wandfläche bestimmt, und diese wird nicht in allen Fällen und an jeder Stelle des Ofens identisch seyn mit der Temperatur der Verbrennungsproducte im Inneren des Ofens, sondern etwas kleiner und zuweilen auch etwas größer als letztere. Die beobachtete Temperatur wird größer seyn: in dem Falle wo die innere Temperatur nachgelassen hat, und die Wand noch von einer früheren heftigeren Hitze afficirt bleibt; hingegen kleiner: 1) wenn überhaupt die Temperatur des Ofens im Steigen begriffen ist, und 2) wenn die Verbrennungsproducte nicht in vollständiger Berührung mit der Fläche sind, die zur Beobachtung dient.

In Fig. 7 dagegen trifft die Flamme, nachdem sie den Ofen passirt hat, nothwendig die Platte C, und da der Raum über derselben enge ist, so können die Ströme nicht in die Esse R. gelangen, ohne in vollständigen Contact mit dem Meßapparat zu kommen. Nur wird diese Temperatur diejenige seyn, welche das Feuer nach stattgehabter Wirkung im Ofen |335| noch behält. Aber gerade diese Temperatur zu kennen, ist oft am wichtigsten, und man kann von derselben leicht auf die Temperatur im Ofen selbst schließen. – Wollte man den Meßapparat an der Wand W anbringen, so würde anscheinend die Temperatur im Ofen selbst angegeben, aber man würde sich dabei sehr täuschen können, da der mit der Wand parallele Strom der Verbrennungsproducte nothwendig durch die Transmission der Wand selbst eine etwas weniger heiße Schichte der Verbrennungsproducte erzeugt.

Es wird also nöthig seyn, in jedem Falle die Stelle, an der man die Messung vornehmen will, dem gesuchten Resultat entsprechend zu wählen.

Mein Streben gieng zunächst dahin, die Temperatur von Glas-Schmelzöfen zu messen, und da solche ganze Monate und Jahre lang im Betrieb stehen, so werden selbst 8 Zoll dicke Wände hinlänglich zuverlässige Resultate geben. Bei Oefen hingegen, die nur zeitweise in Betrieb kommen, muß das Stück Ofenwand, welches zur Temperaturbestimmung dienen soll, verhältnißmäßig von geringer Dicke genommen werden, damit dasselbe schnell sich mit der ihm zukommenden Wärmemenge sättigt.

Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen hängt nun in erster Linie von der Genauigkeit der Bestimmung der Leitungsfähigkeit – C ab, da eine Differenz von 0,01 in diesem Werthe, bei der Bestimmung von t eine Differenz von 52° C. gibt. Es wäre möglich, zur Bestimmung von C noch genauere Instrumente anzuwenden, als die beschriebenen sind, wodurch dieselbe selbst genauer würde; wenn man aber bedenkt, daß von den Materialien, welche der Prüfung unterworfen werden, selbst wenn sie von ein und derselben Masse genommen werden, nie ein Stück dem andern völlig gleich ist, so hat es keinen Werth genauere Bestimmungen vorzunehmen. – Das einzig mögliche Mittel, in dieser Beziehung der Bestimmung von t eine größere Zuverlässigkeit zu geben, wäre, eine feuerfeste Masse mit ganz besonderer Sorgfalt anzufertigen, die in ihrer Leitungsfähigkeit durchaus nicht mehr variirt, und zu diesem Behufe würde dieselbe beim Brennen einem Maximum von Temperatur auszusetzen seyn.

Eine andere Fehlerquelle bei diesen Bestimmungen ist die Entfernung der warmen Flächen von der Säule; je kleiner dieselbe ist, desto genauer läßt sich die Temperatur = t' bestimmen, größere Entfernungen geben weniger genaue Resultate; indessen bei 8 Zoll Entfernung ist es immer noch möglich für 3 Thermometergrade einen Rheometergrad zu beobachten, so daß durch zweckmäßige Wahl der Dicke und Leitungsfähigkeit |336| der Ofenwand, in dieser Beziehung sehr befriedigende Resultate zu erhalten sind.

Werden daher alle diese Vorsichtsmaßregeln sorgfältig berücksichtigt und befolgt, so kann immerhin angenommen werden, daß die in Thermometergraden ausdrückbare Temperatur = t bis auf 50°, vielleicht bis auf 75° C. genau zu erhalten ist; eine solche Genauigkeit übertrifft gewiß weit diejenige, welche alle bisher für die Praxis vorgeschlagenen Pyrometer gewähren.

Immerhin bietet die Bestimmung der Ofenwand-Temperatur t' nicht bloß das Mittel, daraus die innere Temperatur zu berechnen, sondern auch sehr annähernd den Wärmeverlust, welchen ein Feuerungsapparat durch Transmission der Wände erleidet.

Ebenso kann man mittelst meines Apparates53) die Temperatur der evacuirten Verbrennungsproducte bestimmen.

Bezeichnen wir daher mit W die Wärmemenge welche per Stunde in einem solchen Verbrennungsapparate entwickelt wird, mit N den Nutzeffect, d.h. die Wärme welche an den zu erwärmenden Körper übergeht, mit T die Transmission und mit E die Evacuation, so haben wir zur Controle:

W = N + T + E

und da gerade das Verhältniß dieser Werthe für den Praktiker das Gesuchte ist, so ist leicht einzusehen, daß mein Verfahren zur Bestimmung desselben, dem Zwecke besser entspricht als alle bisher angewandten Methoden.

Offenburg, den 20. Februar 1862.

|322|

Polytechn. Journal Bd. CLXII S. 361.

|336|

Hr. Mechanicus Chr. Oechsle in Pforzheim erbietet sich solche Apparate anzufertigen.

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