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Wärmewirkung des Ultraschalls in Wasser

Akustik Ak 2.1 Versuch 1.15

Einführung

Als Folge der Absorption von Ultraschall in Wasser wird Energie des Schallfeldes in Wärme umgewandelt. Dies wird in Bereichen großer Energiedichte, z.B. in einem Ultraschallsprudel besonders deutlich. Im Versuch wird die Temperatur in der Spitze eines Ultraschallsprudels in Wasser mit einem Thermometer gemessen und mit der Temperatur der übrigen Flüssigkeit verglichen.

Material

Stativfuß
Stativstange, 4kt, l = 400 mm
Stativstange, 4kt, l = 630 mm
3 x Doppelmuffe
3 x Universalklemme
Küvette, zylindrisch
Glycerin, 250 ml
Temperaturfühler Messbereich +120 °C
Drehspulinstrument
Ultraschallgenerator

Versuchsaufbau Versuchsaufbau s. Abb. 14 (Ultraschallgenerator Betriebsart: Sinus) Die Zylinderküvette ist etwa zu einem Drittel mit Wasser gefüllt. Sie ist auf dem Schallkopf angeordnet, auf den als Kopplungsschicht einige Tropfen Glycerin aufgebracht wurden. Der Temperaturfühler taucht mit seiner Spitze zunächst in das Wasser ein. Zur Temperaturmessung ist zu beachten, dass das Messinstrument im nicht eingeschalteten Zustand einen Temperaturwert von - 20 °C anzeigen muss.

Durchführung

Die Wassertemperatur wird abgelesen. Danach stellt man am Ultraschallgenerator eine große bis maximale Amplitude ein und justiert den Temperaturfühler so, dass er in die Spitze des sich ausbildenden Ultraschallsprudels eintaucht. Nachdem die Temperatur bestimmt wurde, misst man zur Kontrolle die Wassertemperatur außerhalb des Sprudels.

Ergebnis

Die Temperaturanzeige in der Spitze des Ultraschallsprudels ist bis zu 20 K höher als die des restlichen Wassers. Die Kontrollmessung zeigt, dass während der Einwirkung des Ultraschalls die Wassertemperatur insgesamt ansteigt.

Anmerkung

Durch die sogenannten Kapillarwellen längs der Sprudeloberfläche (sie können bei einer senkrechten Betrachtung von oben beobachtet werden) und die teilweise Reflexion der Schallwellen an der Sprudelspitze ist hier die Energiedichte des Schallfeldes sehr viel größer als in der restlichen Flüssigkeit, so dass hier eine stärkere Erwärmung als Folge der Absorption gemessen wird.

Wasseraustausch im Sprudel und die übrige Absorption bewirken einen Temperaturanstieg der gesamten Flüssigkeit, aus dem auf die aufgenommene Schallenergie geschlossen werden kann (vgl. Versuch 1.16).

Hinweis

Bei der Temperaturmessung in der Sprudelspitze mit einem Flüssigkeitsthermometer ist wegen des größeren Messvolumens ein Anstieg der Temperaturanzeige von etwa 5 K zu erwarten. Allgemein ist bei diesem Versuch der Temperaturanstieg zu einem gewissen Teil auf die unmittelbare Einwirkung des Ultraschalls auf den jeweiligen Messfühler zurückzuführen.