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Eine indirekte Methode zur Bestimmung der Temperatur von Bdern flssiger Luft.

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421
6 1. Zur Messung tiefer Temperaturen dient in erster
Linie das Gasthermometer. l) 1st eine geringere Genauigkeit
ausreichend, so verwendet man elektrische Methoden : Widerstandsthermometer oder Thermoelemente? oder auch Fliissigkeitsthermometer.? Handelt es sich speziell um siedende Luft,
so laBt sich die Temperatur durch Qasanalysen bestimmen. 4)
Anderweitige Untersuchungen fuhrten uns zu der im folgenden vorgeschlagenen Methode, die, wenn man sich mit maSiger
Genauigkeit begnUgt, sehr einfach und bequem ist, Itndererseits mit Sorgfalt gehandhabt, auch recht genaue Resultate
zu liefern vermag.
5 2. Das spezifische Gewicht von Mischungen von flussigem
Stickstoff und Sauerstoff variiert von 0,791 bis 1,1316), wahrend
die Temperatur sich nur um 1!3,3O andert, namlich von
-195,7”) bis -182,4O. Durch Messung des spezifischen Gewichtes flijlssiger Luft wird man also ihre Temperatur gut bestimmen konnen. Eine solche Messung ist nun besonders einfach mit Hulfe von Schwimmern auszufuhren. Hat man es
mit FlUssigkeiten groSer Viskositat zu tun, so ist diese Yethode ja nicht zu empfehlen, aber gerade in vertliissigten
Gasen, d. h. Flassigkeiten in der Nahe ihrer kritischen Temperatur, sind Schwimmer leicht beweglich wegen der geringen
Reibung dieser Flussigkeiten.
1) Vgl. besondere H. L. C a l l e n d a r , Proc. Roy. Soc. 60. p. 247. 1891.
2) Dewar, Dickeon, Holborn, Kammerlingh-Onnes, O l s -
ze w shi.
3) F. Kohlrauech, Wied. Ann. 60. p. 463. 1897; R R o t h e , Zeitscbrift f. Inetrumenterik. %2. p. 192. 1902.
4) E. C. C. B a l y , Phil. Mag. (5) 49. p. 517. 1900.
5) M. W. Travere, Experim. Study of Gases 1901.
6) K. F. F i s c h e r u. H. A l t , Ann. d. Phys. 9. p. 1149. 1902.
422
I/. Behn u.
F.Kiebitr.
8 3. Die zuerst von uns benutzten Schwimmer bestanden
aus Kieselglas'), die von H e r a e u s geblasen, von uns durch
Anschmelzen von Stielen auf das erforderliche spezifische Gewicht a) gebracht wurden. Das Material war gewahlt wegen der
Kleinheit seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die zwei
Vorteile mit sich bringt : die Temperaturkorrek!ion des Volumens dieser Schwimmer ist gering und sie. ertragen schroffe
Telnperaturwechsel ohne zu zerspringen. Beide Bedingungen
werden aber nuch hinreichend erfullt durch das von S c h o t t
u. G e n o s s e n hergestellte Duraxglas 3), aus dem wir uns gro6ere
Schwimmer anfertigten, die bei den im folgenden beschriebenen
Versuchen verwendet sind, und die sich in jeder Hinsicht als
brauchbar erwiesen.
8 4. Das spezifische Gewicht der Schwimrner wurde dadurch gemessen, daB man sie in Mischungen von Alkohol und
Wasser bez. in wasserigen Salzlbsungen zum Schweben brachte
und dann die Dichte der Flassigkeit mit der M o h r - W e s t p h a l schen Wage bestimmte.
Mit HOlfe dieser Schwimmer sollte nun die Abhangigkeit
der Dichte der flussigen Luft von ihrer Temperatur gemessen
werden. Ein ziemlich groBes unversilbertes zylindrisches VakuurnmantelgefiiB wurde etwa zu ein Drittel mit fliissiger Luft
gefullt, die frisch von der Lindescheii Maschine kam. Es
wurden dann die leichteren von den Schwimmern hineingeworfen, die aber zunachst alle zu Boden sanken. Erst in
groBeren Zeitintervallen stieg nun nach MaBgabe der Zunahme
des spezifischen Gewichtes der Fliissigkeit ein Schwimmer nach
dem anderen herauf und es wurde dann jedesmal die Temperatur der fliissigen Luft dadurch ermittelt, daB eine entweder der Fliissigkeit oder dem frisch entstandenen Dampf
entnommene Probe auf ihren Sauerstoffgehalt untersucht wurde.
Die Analyse geschah nach der von H e m p e l 3 angegebenen
1) Die Ausdriicke ,,Kieselglaa" oder auch ,,Quaxzglas" scheinen uns
sachgerniifler, als die sonst gebrauchten. Ebenso verwendet She ns tone
(Nature 64. p. 65. 1901) ,,vitrified silica" und ,,vitrified quartz".
2) Darunter sol1 der Quotient: Qewicht dumb Volumen verstanden sein.
3) Duraxglaerahren Bind durch einen hellblauen Streifen kenntlich;
sie laasen sich leicht vor der Lampe verarbeiten.
4) W. H e m p el, Gasanalytische Methoden p. 143. 1900.
Bestimmiing der Temperatur von Biidern /&siger
LufL 423
Methode mittels Kupfers, die fur unsere Zwecke hinreichend
genaue Resultate lieferte.') Auf Grund dieser Analysen wurde
nun die Temperatur der
flussigen Luft mit HUlfe der
von B a 1y 7 angegebenen
Werte ermittelt, die sicb auf
der Fig.2 9 vorfinden. Fig. 1
zeigt, die ubrigens sehr einfache Verauchsanordnung.
Das VakuummantelgefaB
sitzt in einem genau passenden Kartonring, der mit
seinen Randern auf den Riindern eines groSen Becherglases aufliegt und mit diesen durch ein ubergelegtes
Kautschukband fest verbunden ist. Am Boden des
Becherglases befindet sich
eine Schicht von Phosphorsaureanhydrit. Man erreicht
so, da6 alle Glaswhde selbst
bei lang andauernden Versuchen klar bleiben. Auf
dem Boden des Vakuummantelgefa6es befinden sich
wenige Windungen einer
Fig. 1.
Heizspirale aus Konstantan
(in F'ig. 1 weggelassen), die
an kupferne Zuleitungsdrahte angeliitet sind. Auf dem oberen
Rande des G e f a e s ist ein Kartonblatt (oder Mull in mehreren
1) Zur Rontrolle wurde von Zeit zu Zeit der Sauerstoffgehalt der
Zimmerluft gemessen, wobei sich steta Werte ewiachen 20,4 und 20,8 Proz.
ergaben.
2) E. C. C. B a l y , Phil. Mag. (5) 49. p. 517. 1900.
3) Sie aind hier reproduziert, weil man, wie oben bemerkt, auch
durch solche Gssanalysen die direkte Temperaturbestimmung eraetzen
kann. Die Balysche Kurve ist von uns in Richtung der Ordinaten etwa
urn 0,So verachoben, so d d die Endpunkte den Werten -195,'l und
- 182,4 entsprechen.
424
U. Behn
u.
P. Kiebitz.
Lagen) lose aufgelegt, das zwei Lbcher enthillt. Durch das eine
geht ein n f6rmig gebogenes Glasrohr mittlerer Weite, dessen
einer Schenkel ca. 4 cm tiber der Fliissigkeitsoberflilche endet l),
durch das andere ein starkwandiges enges Rohr von ca. 2 mm
lichter Weite, das in seinem lingeren in die Flussigkeit hinabreichenden Schenkel zu einer feinen Kapillare ausgezogen ist.
Will man eine Probe der Fliissigkeit entnehmen, so verwendet
man das letztere Rohr, indem man es an die Gasbiirette anschlie6t nnd dieselbe dnrch starkes Yaugen schnell fullt. Die
in der unten gekiihlten Glaskapillare emporgerissenen Flussigkeitsteilchen verdampfen vollstandig, sobald sie in den warmeren
Teil der Rohre gelangen. Will man andererseits eine Probe
des Dampfes entnehmen, so leitet man ein gleichma6iges Sieden
der Fliissigkeit am besten dadurch ein, da6 man durch
passende Regulierung des Vorschaltwiderstandes die Heizspirale zunachst einige Sekunden stark erwarmt ; wenn man
nun kontinuierlich mit der Stromstlirke zuriickgeht , so siedet
die Flussigkeit mit sehr kleinen Gasblasen, also mit minimalem
Siedeverzug. a)
5 5 . Die Resultate der Beobachtung sind durch die Kurve
der Fig. 2 wiedergegeben, die bekannten Endpunkte der Kurve
sind durch Kreise, unsere Beobachtungen, die sich teils auf
Dampf-, teils auf Plussigkeitsanalysen beziehen, durch Krenze
markiert. I n frischer, also stickstoffreicher Luft iindert sich
das spezifische Gewicht, wie man sieht, fast proportional der
Temperatur nnd sehr stark, namlich fur einen einzigen Grad
etwa um 0,04. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt wird die
Anderung geringer und in einer Fliissigkeit, die aus fast reinem
Sauerstoff besteht, scheint sie fast Null geworden zu sein. Die
Temperatur des siedenden Sauerstoffs wird also durch geringe
Beimischungen sehr stark verandert ; dasselbe ergibt sich auch
aus der Kurve von B a l y ; die inderung des Siedepunktes ist
bei prozentual gleichen Beimischungen fb Sauerstoff etwa
fiinfmal so groS als ftir Stickstoff. Kombiniert man unsere
1) Steht daa Ende dieeea Rohrea der Fliisaigkeitsoberflle zu nahe,
so wird ee von kleinen beim Sieden emporspntzenden Tropfchen erreicht, die dann vollStad@ verdampfen und so den Sauerstoffgebalt des
Dempfes etwaa zu groB erscheinen lasaen k8nnen.
2) K. T. Fischer u. H. A l t , 1. c. p. 1161.
Bestimmung der l’emperatur von Badern fiUssz$er h f t .
425
Werte mit denen B a l y s derart, daB ,man die Dichte der fliissigen
Luft ale Funktion ihrer Zusammensetzung erhalt , so findet
man eine gestreckt S fdrmige Kurve mit dem Wendepunkt bei
ca. 50 Proz. (Fig. 3). Bei geringem Sauerstoffgehalt (0 bis
25 Proz.) verlauft sie so, daB man nach der Mischungsregel
die Zusammensetzung BUS dem spezifischen Gewicht angenahert
berechnen kann. Mit Hiilfe eines Satzes unserer Schwimmer
Spezifisches Gewicht der fliissigen Luft.
Fig. 2.
ergibt sich also auf Gmnd dieser Kurve ohne weiteres die
Zusammensetzung der fliissigen Luft. Auf Gewichtsprozente
umgerechnet ergibt sich die in der Fig. 3 gestrichelte Kurve.
5 6. Das spezifische Gewicht der Schwimmer war mit der
Mohr-Westphalschen Wage anf etwa drei Einheiten der
vierten Dezimale genau bestimmt. Die so gefundenen Werte
bedurften nun zuniichst einer Korrektur wegen der Ausdebnung
des Materiales. Bei Kieselglas ist dieselbe auBerst gering.
Nimmt man einen konstanten linearen Ausdehnungskoeffizienten
U.Behn u. F! Kiebitr.
426
von 0,00000051) auch unterhalb O o an, so ergibt sich eine
Kontraktion der Schwimmer bei 200 O unter Zimmertemperatur
um 0,0003. Diese Korrektur ist von uns vernachlassigt, weil
sie kleiner als die Versuchsfehler ist. Auch ist zu bemerken,
dab man durch Extrapolieren des von Scheelz) fur das Intervall von 0 bis
looo festgelegten Ganges des Ausdehnungskoeffizienten eine noch erhebljch kleinere Kontraktion finden
wiirde.
+
0%
20
10
fiO
80
100
Fig. 3.
Die Volumenveranderung des Duraxglases zwischen - 187 "
und Zimmertemperatur wurde dadurch bestimmt, da6 ein
Kieselglasschwimmer mit einer Anzahl yon solchen aus Duraxglas hergestellten, die sich in ibrem spezifischen Gewichte um
je eine Einheit der dritten Dezimale unterschieden, in fiiissiger
Luft verglichen wurden. Es ergab sich dabei eine Kontraktion
1903.
1)
L. H o l b o r n u. F. H e n n i n g , Ann. d. Phys. 10. p.446. 1903.
2)
K, S c h e e l , Verhandl. d. Deutsch. Physik. Gesellsch. 6. p. 119.
Bestimmuny der Ikmperatur
von
Badern fliissiger Luft.
427
der Duraxglasschwimmer um 0,003 I), eine Korrektur, die bei
der Auswertung der Versuchsresultate beriicksichtigt ist.
Ferner ist zu bemerken, da8 bei Abkuhlung eines solchen
Schwimmers der Luftdruck im Innern etwa auf ein Drittel
seines Wertes bei Zimmertemperatur sinkt, wLhrend der auBere
Druck derselbe bleibt. Nach den Erfahrungen des einen von
uns 9 war von vornherein wahrscheinlich , da0 die hierdurch
entstehende Volumenverminderung der Schwimmer zu vernachlassigen sei. Ein mit dem 0 e r s t e d t schen Piezometer angestellter Kontrollversuch bestiitigte die Annahme.
Die bei der Bestimmung des spezifischen Gewichtes der
Schwimmer gemachten Fehler und die der Analyse sind jedenfalls kleiner als die bei der Beobachtung des Zeitpunktes des
Schwebens gemachten. Die fliissige Luft wurde vor dem GeLrauch filtriert und wahrend der Beobachtung durch das erwahnte aufgelegte Kartonblatt bedeckt gehalten, um Eisteilchen
in der Fliissigkeit zu vermeiden, welche leicht au elektrischen
Ladungen Anla0 geben konnen, die so stark werden, dab die
Schwimmer an der Glaswand haftend, ihre freie Beweglichkeit
einbU0er1.~) Weiter ist zu bemerken, daB die genaue Beobachtung des Momentes des Schwebens erschwert wird durch
die starken Konvektionsstromungen, die durch das Sieden der
flussigen Luft hervorgerufen werden. Es wurde daher jedesmal
wiihrend der Beobachtung das Sieden in einfacher Weise dadurch beseitigt , daB durch Erhitzen der Spirale wahrend
weniger Sekunden ein starkes Sieden hervorgerufen wurde und
es folgte dann regelmagig eine kurze Zeit, in der keine Gasblasen in der Fliissigkeit aufstiegen, in der man also bequem
beobachten konnte; andererseits kann man auf die angegebene
Weise durch kurz dauerndes kraftiges Sieden die Flussigkeit
gut durchmischen und so die Ausbildung von Schichten verschiedener Dichte in der fliissigen Luft vermeiden. Diese Vor1) Der mittlere 1ineareAusdehnungskocffizientfar Duraxglas zwischen
Zimmertemperatur und der Temperatur der fliissigen Luft ist demnach
0,000005. B a l y (1. c.) findet fur ein nicht n&her charakterisiertee Glas
und daiselbe Temperaturgebiet 0,000007 3. Fur Schwimmer, die BUS gewahnlichen Biegerbhren hergeetellt waren, fanden wir 0,000007 5.
2) U. B e h n , Ann. d. Phys. 3. p. 733. 1900.
3) Vgl. H. E b e r t u. B. H o f f m a n n , Ann. d. Phys. 2. p. 706. 1900.
428
U. Behn
u. B! Kiebitz.
sichtsmagregeln sind aber eigentlich nur dann notwendig, wenn
die Dichte bis auf eine Einheit der dritten Dezimale genau
bestimmt werden soll. Was die Benutzung der Balyschen
Werte betrifft, die sich auf einen Druck von 760mm beziehen,
so sei noch erwiihnt, dal3 der Luftdruck bei unseren Versuchen
zwischen 749 und 766 schwankte. Da aber sowohl fur Sauerstoff als auch fdr Stickstoff der Quotient d p l d T fiir einen
Druck von etwa 760mm rund 1 0 0 m m / l o ist, so wird durch
die Abweichungen (ein gleiches Verhalten der Miscbungen beider
Gase vorausgesetzt) ein Fehler bedingt, der kleiner als 0,l O ist
und der vernctchlassigt wurde.
Fig. 4.
Q 7. Will man in der von uns vorgeschlagenen Weise
Schwimmer zur Temperaturbestimmung verwenden , so ist zuniichst bei Anfertigung derselben zu beachten, daB man die
Stiele der Schwimmer vorerst diinn auszieht, R O daS man
nachher durch Abbrechen kleiner Sttickchen das spezifische
Gewicht leicht regulieren kann. 1st dies erreicht, so schmilzt
man die Stiele zu einem dickeren Stab zusammen, dom man
absichtlich eine Anzahl von Verdiinnungen und Verstarkungen
giebt, so daS man nachher hieran leicht die einzelnen
Schwimmer unterscheiden kann. Statt dessen konnte man
auch die Schwimmer 'iLu6erlich versilbern und diese Schicht
Bestimmung der Temperafur uon Badern fEiissiger h f i .
429
bei den einzelnen Exemplaren in verschiedener Weise zum
Teil wieder entfernen. Man wiirde sich so etwa, wenn die Bestimmung der Temperatur auf 0,5" geniigt, acht Schwimmer
anfertigen, die bei Zimmertemperatur (Dnraxglas nls Material
vorausgesetzt) folgende spezifische Gewichte haben miifiten:
0,937,
0,975,
1,007,
1,035,
1,059,
1,080,
1,097,
1.110,
so daf3 sie den Temperaturen des Luftbades
- 192,5', - 191,6O, - 190,5O . . . - 185,5O
entsprechen. l) Fig. 4 stellt einen solchen Satz in halber natiirlicher GroSe dar, den wir uns fur unseren Gebrauch angefertigt
haben. Die Anzahl der Verdickungen an den Stielen entspricht
der letzten Ziffer vor dem Komma der Gradzahlen; eine starkere
Verdickuog gilt ftir 5. 1st eine groBere Genauigkeit der Temperaturbestimmung erforderlich, so wird man sich eine groBere
Anxahl von Schwimmern herstellen, was beilaufig gesagt vie1
schneller auszufiihren ist, a l s man zuniichst glaubt. Mit diesen
Hiilfsmitteln ausgeriistet wird man in den Untersuchungen bei
tiefen Temperaturen seine ganze Aufmerksamkeit den eigentlichen Messungen zuwenden konnen und die jedesmalige Temperaturmessung mit einem Blicke erledigen.
Besonderen Dank schulden wir der Direktion der Hochster
Farbwerke, die uns in liebenswurdigster Weise die fiir die
Versuche erforderliche fliissige Luft zur Verfiigung gestellt hat.
F r a n k f u r t a/N., Laboratorium des Physikal. Vereins,
Juni 1903.
1) Die Schwimmer kijnnen bezogen werden von Hm. Glaeblker
B u r g e r , Berlin N., Chausseeetde 2E.
(Eingegangen 20. Juni 1903.)
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