Über die beim Benetzen pulverförmiger Körper, insbesondere von Sand, mit Wasser auftretende Wärmetönung, sowie Untersuchungen über das Verhalten von Wasser unter 4° bei diesem Vorgange

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    06-Jun-2016

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<ul><li><p>3 2 </p><p>3. Uber d i e beim Benetxev,a pulverf6rmiyer E&amp;yer, sinsbesondere von Sand , mz't Wasser auftretende W@mnetonung, sowie Uwtersuchunngen uber das Verh,alten v o n Wasser unter 4 O beg diesern Vor- </p><p>gccnnge; v o n G. 8chwalbe . I ) </p><p>1. Einleitendes. </p><p>Die Frage nach den Temperaturanderungen, welche Ge- stein durch Einsickern von Wasser erfahrt , hat in neuerei- Zeit fur manche geophysikalische Fragen, insbesondere fur die Theorie der Eishohlen Bedeutung gewonnen. Durch meinen Vater war, gestutzt auf Versuche von J u n g k (3), wo- nach Wasser unter 4 O C. beim Eindringen in Sand eine Ab- kuhlung veranlassen mug, sowie auf theoretische Erwagungen, die Ansicht vertreten worden, dab dieser ProzeB bei der Bildung des Eises in den Hohlen eine Hauptrolle spiele. Allerdings standen den Versuchen von J u n g k solche yon Meissner (7) gegenuber, welche zu dem entgegengesetzten Ergebnisse ge- langten. Diese widersprechen aber so sehr allen theoretischen Erwagungen, da6 mein Vater trotzdem glaubte, an seiner Theorie festhalten zu mussen und nur den Wunsch hatte, noch einmal selbst Versuche ausfiihren zu konnen, welche seine Auffassung bestatigten. Leider ist er hieran durch den Tod gehindert worden. In seiner Abhandlung : Uber Eishiihleu und abnorme Eisbildungen nebst einigen Bemerkungen uber Ventarolen und niedrige Bodentemperaturen (Centralorgan f. die Interessen des Realschulwesens 10. p. 602) faBt er seine Theorie der Eishohlen folgenderma6en zusammen : Fa6t man hiernach die gesamte Erscheinung ins Auge, so wurde sich eine Theorie ergeben, die hypothetisch als Kaltequelle nur das Durchsickern des Wassers durch bestimmtes poroses Gestein enthalt und in kurzem Umrisse folgende Erklarung ergibt : ,,Bei den Eishohlen wird, urn bei dieser Erscheinung zu beginnen, im Winter die Eisbildung fur gewohnlich nicht stattfinden, denn das Durchsickern findet nicht statt ; wohl aber kann </p><p>~~ </p><p>1) Die Literatur befindet sich am Schlusse dea Textes. </p></li><li><p>Benetzen pulverfht iyer Korper etc. 33 </p><p>durch das Einsinken der kalten Luft (Grotten von Vergy und St. Georges) Eis allerdings in geringerem TJmfange gebildet werden, wahrend bei Grotten , wo dies Einsinken erschwert ist, die Hohle durch die nun zur Geltung kommende Boden- temperatur erwarmt wird. Im Fruhjahr ist der Sickerproze6 am starksten; die dadurch erzeugte Abkuhlung bringt die so wie so niedrige Bodentemperatur noch weiter herab. Die Luft in der Hohle ist noch kalt, und so wird das Wasser, das in dem Kapillarraum nicht zum Gefrieren kommt, so wie es an die Luft tritt, da es wahrscheinlich iiberkiiltet ist, fest werden. Etwaige Verdunstung wird dies untersttitzen, die aber bei der niedrigen Teniperatur, die das Wasser besitzt, iiberhaupt nur gering sein kann. Im Sommer geht dieser Proze6 weiter, mu6 aber abnehmen, da mehr Warme hinzu- gefiihrt wird; die Luft in der Hijhle wird also von dem Felsen aus abgekuhlt; im Herbst und Spatsommer 1a6t3 das Uurch- clringen nach, die Bodentemperatur und zugeleitete Sommer- wk-me fangt an zu iiberwiegen, und die Eis bildungen schwinden. </p><p>Bei den Eislochern ist der ProzeB ahrilich und noch vie1 lebencliger. Das in das Gestein eindringende Wasser bewirlrt die hbkuhlung desselben und infolgedessen entsteht bnlte Luft, die nach unten sinkt, und der untere Gerollhaufen wircl rnit Eis angefiillt; in dem oberen Teile sinkt das Wasser schnell hindurch und die dnrchstreichende, nachsinkende warme Luft 1aBt es nicht zur Eisbildung kommen. Im Herbst ist der ganze Berg mit gleichmailiiig temperierter Luft, die von auOen eingesunken ist, durchzogen. Im Winter wird kalte Luft ein- clringen, diese wird in der Tiefe durch die jetzt das Uber- gewiclit gewinnende Bodentemperatur erwarmt und oben heraus- dringen; da die Gerollfelder tief hinabreichen, wird die aus- stromende Luft sogar eine hijhere Ternperatnr hahen konnen. DaB im Sommer Abkuhlung durch Verdunstung und Strahliing die Eisbildung wierlerum begunstigen knnn, ist selbstverstandlich. .%ufgeklart ist der Verlauf der Eisbildung im Friihjahre noch nicht, mrnentlich wann dieselbe beginnt und wann sich die Luft- stromungen einstellen. Jede groBe Gerollanhaufung aus porosem Gesteine muBte angefeuchtet die Zirkulation ergeben. Vor allem wurcle aber zu konstatieren sein, ob beim Durchdringen des poriisen Gesteins durch Flussigkeiten Abkuhlung entsteht." </p><p>Annnlen der Physik. 1V Folge 16. 3 </p></li><li><p>34 G. Schwalbe. </p><p>Zur experimentellen Erledigung dieser Frage sol1 die vor- liegende Abhandlung einen Beitrag liefern ; gleichzeitig ist die- selbe aber ausgedehnt worden zu einer allgemeinen Experi- mentaluntersuchung uber das thermische Verhalten von Wasser beim Einsiclrern, in poriise Korper und zwar sowohl in quali- tativer wie in quantitativer Hinsicht. </p><p>2. Literarischea und Hietorieches. </p><p>Dab bei der Absorption des Wassers durch feste poriise Kiirper eine Anderung der Temperatur derselben stattfindet. ist eine Tatsache, welche bereits Poui l le t (1) im Jahre 1822 nachgewiesen hat, und zwar zeigte er, daB bei diesem Vorgange Temperaturerhohung eintrete, deren Grad mit der chemischen Beschaffenheit des Korpers in Zusammenhang zu stehen schien. Eine hiermit im Zusammenhang stehende Beobachtung hat spater Ventz ke (2) gemacht, welcher bei einer Vermischung von Knochenkohle mit einer Rohrzuckerliisung von 1,3 spezi- fischem Gewicht und 85-99 O eine bis zur Explosion gesteigerte Erwarmung beobachtete. Wenn die Versuche Pou i l l e t s in- dessen auf eine chemische Tatigkeit als Ursache der Wgrme- entwickelung hinwiesen, so lehrte die meines Wissens zuerst von J u n g k (3) erkannte Tatsache, daB auch bei der Absorption des Wassers durch reingewaschenen, trockenen FluBsand eine Temperaturanderung eintritt , da6 dies nicht der Grund der Erscheinung sein kijnne, da bei diesem Prozesse uberhaupt keine chemische Reaktion eintreten kann. Die einzige Art der Er- klarung, welche somit noch ubrig bleibt, ist die, mechanische Arbeit, wie sie z. B. zur Verdichtung einer Flussigkeit niitig ist, als Ursache auzunehmen. Es hat nun auch (3. Rose (4) gezeigt, daB eine solche Verdichtung des Wassers an der Ober- 0ache fester Korper sich sogar bei genauen Wagungen be- merkbar macht, indem sich fur ein und denselben Korper ein urn so groBeres spezifisches Gewicht ergibt, in j e feinerer Verteilung man denselben wagt. Diese Tatsache ist daraus zu erklaren, daB die festen Korper an ihrer Oberflache das Wasser verdichten, und zwar urn so mehr, j e groBer ihre Ober- 0ache ist. Die Tatsache ferner, daB sich an den Grenzflachen von Fliissigkeiten eine sogenaiinte Fliissigkeitshaut bildet, in welcher die einzelnen Molekiile sich vie1 weniger leicht gegen- </p></li><li><p>Benetzen. pulverformiger Korper etc. 35 </p><p>einander verschieben lassen, weist ebenfalls auf eine Verdichtung der Pliissigkeit an diesen Stollen hin. Noch andere Tatsachen sprechen dafur: Wasser in freien Tropfchen und in engen Glas- rohren friert um so schwerer, je kleiner der Durchmesser der- selben ist, wie Mousson und Dufour (5 ) gezeigt haben. Dies deutet offenbar eine Verdichtung des Wassers an den Grenzflachen an. Denn J. Thomson hat theoretisch, und W. Thomson (6) experimentell nachgewiesen, daS der Gefrierpunkt des Wassers unter hoherem Drucke, also bei Verdichtung des Wassers sinkt. Thomson hatte nun aus der Temperaturveriinderung des Wassers bei plotzlicher Druckanderung aus der mechanischen W arme- theorie eine Formel abgeleitet und fur eine Druckvermehrung von 10 Atm. bei Wasser von O o nur eine Temperaturerniedri- gung von 0,005O C. und bei Wasser von looo eine Temperatur- erhohung von 0,078O C. gefunden. Diese Resultate wSiren fur eine weitere Untersuchung der Erage entmutigend gewesen, wenn nicht die Experimente von Pou i l l e t , welcher Anderungen von 0,2 bis 0,3O C. fand, auf eine so groBe Kraft der Adhasion gedeutet hatten, daB die Moglichkeit einer experimentellen Erledigung der Frage dennoch erwartet werden konnte. Jeden- falls stehen diese Versuche von Thomson qualitativ in Ein- klang mit denjenigen von J u n g k , welcher fur Wasser unter 4 O bei Kompression durch feste , porose Korper Temperatur- erniedrigung , fur Wasser uber 4 O Temperaturerhohung fand. Dies steht durchnus in Einklang mit der Theorie, wie spater gezeigt werden 8011. Um so auffallender ist es daher, dab Meissner(7) bei Versuchen mit Kieselsaure und Wasser in allen Fallen Temperaturerhohung gefunden hat. Spatere Arbeiten von Gore(8) und (9), Mar t in i (lo), E rco l in i ( l l ) , B e l l a t i und L. F i n a z z i (13) bestatigen durchaus die Tatsache, da8 beim Benetzen von porosen Korpern Temperaturerhohung eintritt. Auf das Verhalten des Wassers bei Temperaturen unter 4O gehen aber die meisten dieser Autoren nicht ein. L a g e r g r e n (12) spricht auf Grund der Annahme, dal3 bei der Benetzung fein verteilter Korper Druckkriifte von Tausenden von Atmospharen auftreten, und auf Grund der von ihm durchgefuhrten Kech- nungen ebenfalls die Vermutung aus , daS die Temperatur- anderung als Folge einer Kompression der benetzenden Flussig- keitsschicht durch den festen Korper aufzufassen ist. </p><p>3* </p></li><li><p>36 G. Schwalhe. </p><p>G o r e (8) nimmt als Ursache der Erscheinung keine Kom- </p><p>1. Die Vereinigung des Wassers mit dem Pulver. 2. Die Vereinigung der gelosten Substanz mit dem Pulver. 3. Die Trennung der Luftschicht von demselben. Die Versuche von M a r t i n i haben ergeben, daB allgemein </p><p>die groBte Warineentwickelung stattfindet, wenn die Wasser- kapazitiit der Substariz gerade gesattigt ist, und daB die Wiirmemenge nahezu proportional der ahsorbierten Flussig- keitsrnenge ist. Ferner hat er die Ansicht ausgesproclien, daB clie Warmeentwickelung zum Teil daher riihrt, daB clas der Oberthche unmittelbstr anliegende Wasser in den festen Aggre- gatszustand iibergeht. Jedoch wird diese Snsicht clurch die Versuche vonBel la t i und F i n a z z i ( l 3 ) nicht bestatigt. SchlieB- lich seien hier nocli die Versuche von P a r k s (16) erwalint, welcher eine Beziehung gesucht hat zwischen cler GroSe der Warmemenge, welclie beim Benetzen eines pulverformigen Korpers entwickelt wird, uxid der GroBe der Oberflache des benetzten Kijrpers. Er findet, datl, wenn Kieselsaure, Sand oder Glaswolle bei derselben Temperatur mit Wasser in Be- riihrung gebrncht merden , die eiitwickeltc Warme der Ober- flache des der Berietzung unterworfenen Korpers proportional ist. Ferner hat P a r k s untersucht, in welcher Weise sich die Wiirmeentwiclrelung niit der Temperatur kudert. Er finclet, daW die entwickelte Wdrmemenge der absoluten Temperatur annahernd proportional ist. </p><p>pression an, sondern : </p><p>3. Theoretisches. </p><p>Schon atis d e n Vorhergehenclen wird man clen Einclrock gewinnen miissen, claU dic .Innahme, die Temperaturanderuiigen heim Benetzen entsteheii clurcli Kompression, am meisten fui sich hat. Unter dieser Annahme muB aber bei Wasser unter 4 eine Abkiihlung eintwten, wie &amp;us folgender Betrachtung hervorgeht : Wird eine Flussiglreit komprimiert, so gilt uiiter der Voraussetzung eines adiabittischen Prozesses nach W. T h o In - Y O n die folgende Beziehung zwischen Druckzunahme unil Tem- peraturiinderung : </p><p>T. u . dP 7 d t = ~~ 6. 0 , . go </p></li><li><p>Benetzen pulverf6rmiger KCrper etc. 3 i </p><p>wo d p die Anderung des Druckes, d t diejenige der Temperatur, I die absolute Temperatur, u den wahren kubischen Aus- dehnungskoeffizieiiten, E das ,mechanische Warmeaquivalent, cp die spezifische Warme bei konstantem Drucke, go die Dichte der Substanz bei O o bezeichnet. Hieraus folgt: </p><p>E . e p . eo d p = d t . - . T . a Handelt es sich also um Wasser, so folgt, da8 eine Ver- dichtung desselben zwischen 0 und 4O, wo CL negativ ist, eine Abkuhlung, iiber 4 O eine Erwarmung zur Folge haben mu8. Diese theoretische SchluBfolge erscheint durch die Kompressions- versuche von J o u l e (17) bestatigt worden. Allerdings hat J o u l e nur Drucke bis zu 26,19kg auf 1 qcm angewendet, warend hier weit hohere Drucke in Betracht kommen. Setzt man namlich, um sich hiervon eine Vorstellung zu machen, mit Meissner (p. 18, Anmerkung) in der fur d p geltendenPorme1 dt=4,5O, c,=1,0006, go=O,OOO1 kg, t = 10,7O, also T=283,7O. u=O.OOOll, so ergibt sich ein Druck von 6110,6kg auf 1 qcm oder von 5913,6 Atm. </p><p>4. Eigene Versuche. a) Methode . </p><p>Zur Priifung der vorliegenden Frage wurde folgende Me- thode eingeschlagen: Die Temperatur des zu prufenden Ge- misches wurde mit einem Thermoelement (Kupfer-Konstantan- element) gemessen. Um die jeweilige elektromotorische Kraft zu bestimmen, wurde ein dhrsonvalsches Galvanometer nach Einschaltung eines geeigneten Widerstandes zur Anwendung gebracht. Es wurde nun zunZichst die absolute Empfindlich- keit dieses Megapparates gepruft, indem die elektromotorische Kraft eines genau gepriiften Volt-AmPCremeters mit derjenigen des Therrnoelementes bei verschiedenen Temperaturen ver- glichen wurde. Letztere wurden dadurch erzielt, daB die Lot- stelle sowohl mit sehr kaltem, als auch mit sehr warmem Wasser hintereinander in Beriihrung gebracht wurde. Durch einen gleichzeitig eingeschalteten Widerstandskasten konnte die Empfindlichkeit innerhalb ge wisser Grenzen reguliert werclen. Man findet so einerseits welcher Stromstarke , andererseits welcher Temperaturdifferenz eine bestimmte Anzahl von Skalen- </p></li><li><p>35 G. Schwalhe. </p><p>teilen am Galvanometer entsprechen. Aus dem Vergleich beider Messungen berechnete sich die absolute Empfindlich- * lceit derart, daB 1 C. einem Werte von 0,000000186 Amp. entsprach. Die Versuche wurden nun in der Weise angestellt, ad3 sowohl das zu untersuchende Pulver, als auch das Wasser, niit dem es vermengt werden sollte, in ein gemeinsames Wasse~bad gestellt wurden, so daI3 nach langerem Stehen sowohl Wasser als such Pulver die gleiche Temperatur an- nehmen mufiten. Auch wurde die Gleichheit der Temperatur thermometrisch festgestellt. Nun wurde die Lotstelle des Thermoelementes mit dem Pulver bez. dem Wassar in Be- riihrung gebracht uiid die Einstellung des Galvanometers ab- gewartet ; hierauf wurde schnell, so dab eine Temperatur- anclerung ausgeschlossen war, das Wasser zum Pulver bez. das Pulver zum Wasser geschiittet und der Ausschlag beobachtet. Es lieB sich sodann berechnen, welcher Temperaturanderung derselbe entsprach. Bei den Versuchen bei niedriger Tem- peratur wurde das Wasserbad langere Zeit bei Frostwetter ins Freie gebracht, so daB ein Gemisch von Eis und Wasser entstand. Es wurde auf diese Weise fur die Dauer eines Versuches eine genugende Temperaturkonstanz erzielt. Auch dadurch, dalj das ganze Wasserbad i n Eis oder Schnee gepackt wurde, lief3 sich dieser Erfolg erlangen. In letzterem Falle konnte sogar eine bessere Wiirmeisolation in der Weise er- reicht werden, daI3 das GefaB mit Schnee in ein Luftbad ge- bracht und dieses ganze System abermals in Schnee eingehullt murde. Bei den quantitativen Versuchen wurden natiirlich abgemogene Mengen von Substanz und Wasser vermischt. Als trockene Substanz wurde nicht nur Glaspulver und Kiesel- stiure wie b...</p></li></ul>

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