136

10. UebeP dde Ausdehnung von PorxelZam und Glas 4n hoher Temperatar;

von L. EoZborn m d E. Gr i ine i sen . (Mitteilung aus der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt.)

Fur die Bestimmung der Ausdehnung fester Korper in hoher Temperatur ist fruher eine Methode angegeben worden l), nach der zuerst fur einen besonderen Zweck Versuche mit Platiniridium und Porzellan angestellt wurden. Nachdem als- dann spater ausgedehnte Messungsreihen an einigen Metallen gemacht worden sind 2), haben wir jetzt die Untersuchung fur Porzellan zu Ende gefuhrt und damit noch Messungen des schwer schmelzbaren Jenaer Thermometerglases 59"' verbunden.

Diese beiden Korper bieten grossere Schwierigkeiten als die Metalle. Denn einmal ist die Ausdehnung kleiner, sodann verlangen sie ein Heizrohr von gleichmassigerer Temperatur, da ihr geringes UrarmeleitvermGgen nichts zum Ausgleich einer ungleichmassigen Heizung beitragt. Durch die Herstellung eines dritten Heizrohres liess sich nach mannigfachen Ver- suchen erreichen , dass der Temperaturunterschied langs den zu untersuchenden Staben aus Porzellan und Glas nicht grosser ausfiel als bei den fruher im zweiten Heizrohr erhitzten Metallstaben.

Um ferner den Einfluss, den die Schwankuiigen der Zimmer- temperatur auf die Entfernung der feststehenden Mikroskope ausiibten, moglichst zu verkleinern, wurde an Stelle der fruher benutzten Messingschiene als Basis eine Schiene aus Nickel- stahl angebracht. Ihr Ausdehnungscoefficient betragt etwa 2,5 x 10-6,

1. Berliner Porzellan.

Wir haben zwei unglasirte Stabe aus Berliner Porzellan untersucht, welche fur diesen Zweck besonders von der

1) L. Holborn u. A. D a y , Ann. d. Phjs. 2. p.506. 1900. 2) L. Holborn u. A. Day , 1. c. 4. p. 104. 1901.

Ausdehnung von Porzellan und Glas in holier Temperatur. 137

konigl. Manufactur angefertigt wnrden. Der eine hatte einen kreisformigen Querschnitt .(6,5 mm Durchmesser) und war clurch Pressen hergestellt , wahrend der andere von rechteckigem Querschnitt (5,5 x 6,5 mm) vor dem Brennen aus der Masse herausgeschnitten war.

Die Teiluiig wurde wiederum in der Axe der Stabe ange- bracht. Die Teilstriche waren mit dem Diamanten auf gut polirten Ebenen gezogen und mit Pariser Rot eingerieben. Gegeniiber der friiher mit der Kupferscheibe eingefraisten Teilung liessen diese neuen Striche an Scharfe und Feinheit nichts zu wiinschen ubrig, ebensowenig an Haltbarkeit wahrend des Heizens bis 1000 'I. Die Ablesung erfolgte auch in hochster Temperatur nur bei kunstlicher Beleuchtung. Bei 1000 O je- doch war die Einstellung nicht mehr so sicher als be1 den tieferen Temperaturen, der Ablesefehler wuchs ungefahr auf das Doppelte. Wiirde man die Heizung noch hoher treiben, so ware bald uberhaupt keine Einstellung mehr mbglich, da die Strahlungsvermogen von Porzellan und Pariser Rot einander immer naher kommen.

In Bezug auf die sonstigen Einzelheiten der Messung ver- weisen wir auf die friiheren Untersuchungen.

Tab. 1 enthalt die Temperaturverteilung im Heizrohr, und zwar bedeuten die Zahlen die Temperaturunterschiede gegen die Mitte, die an 8 Stellen des Rohres mit zwei an ihrer heissen Lotstelle verbundenen Thermoelementen gemessen wurden. Aus diesen Werten ist das Mittel A auf graphischem Wege abgeleitet.

T a b e l l e 1. Tempcraturgefiille im Heizrohr.

~ __ _ _

' 500" ' 750" , 1000" Von der Mitte 2500 entfernt 1 1 ,

+ 6,7 + 5,9 - 10,2 - 1 , l - 0,2 - 9,2 - 25,l

- 1,6

+ 15,ti0 + l5,O + 9,0 - 39,3 - 12,3 - 8,O - 30,4 - 64,O

- T18

138 1;. Holborn u. E. Gruneisen.

In der Tab. 2 a teilen wir die Beobachtungen mit, die mit dem runden Stabe angestellt wurden. Die Temperatur t ist in Grad (Quecksilberthermometer bei Zimmertemperatur) oder in Mikrovolt (Thermoelement) ausgedruckt ; M und M' bedeuten die Verschiebungen, die an den beiden Mikroskopen abgelesen wurden, 2 ihre Summe, d. h. die Ausdehnung des Stabes.

In Tab. 2 b ist die Ausdehnung auf die runden Temperatur- werte 250 O , 375 O etc. zuruckgefuhrt. Die zusammengehorigen Werte sind gemittelt (Columne Is beobachtet), f bedeutet die dauernde Langenanderung, die der Stab infolge einer Heizung zwischen zwei Beobachtungsreihen erfuhr.

Die Tab. 3a und 3 b enthalten in ahnlicher Anordnung die Ergebnisse fur den viereckigen Porzellanstab.

Die vorliegenden Beobachtungsreihen bestatigen fur beide Stabe das schon friiher gefundene Resultat, dass sich die Aus- dehnung des Porzellans zwischen 0 und 1000° nicht durchweg durch eine Formel zweiten Grades darstellen lasst. Die Zu- nahme der Ausdehnung wird in der Nahe von 700° kleiner, um jenseits 800 O schneller als vorher zu wachsen. Diese Er- scheinung deutet auf eine Zustandsanderung des Porzellans hin, wofiir auch eine bekannte Erfahrung der Techniker spricht. Denn diese befiirchten ein Springen der Porzellanerzeugnisse am meisten in der dunklen Rotglut und achten besonders in diesem Temperaturintervall auf eine langsame Abkuhlung der Brennofen.

Zwischen 0 0 und 625 O reicht eine quadratische Gleichung fur die Darstellung der Beobachtungen aus. Fu r die beiden St'abe lauten die Gleichungen, wenn die Verlangerung in ,u ausgedriickt wird :

4.2-r -1 3

4 J C ' , - ?La = 1,475 t + 0,000 573 t2 ,

R8' = 1,554 t + 0,000456 t2.

Auf die Einheit der Lange bezogen ist die Ausdehnung il in den beiden Fallen:

a. = 13027 t + 1,177 121 10-9, h' = {3188 t + 0,936 t2}

In den Tab. 2 b und 3 b sind noch die nach diesen Formeln berechneten Werte von Is aufgenommen. Ferner enthDlt die letzte Columne die Zahlen fur il . l o8 , fur die bis 625 O die Rechnung, hoher hinauf die Beobachtung zu Grunde liegt.

Tabe l l e "a.

Runder Porzellanstab (gepresst).

-

18. April

~- ~ _ _ _ ~ ~ ~

I 1' - 0 IS,>'' ',J 0,0691 0,299) 0,368

1614,\1V 1822 MI -0,060' 0,2761 0,216

238s 2889

20. April

22. April -0,073 1,152 -0,006' 0,216

-0,003 0,350

17.7" 1 17,7 0,090 1,009 1,099

5294 MV 530; l\f F -0,0281 0,241 0,213

6550 6552 -0,039 0,732 0,693

9210 19?19

17,O' 1 , 17,OO -0,081 1,155 1,074

3253MV 5254MP 6549 6554

7972 7978

23. April 1 1'7,~* 17,Y0

-0,006 0,211 0,202 1-0,003 0,346 0,343

I

I 1-0 0511 2,024 1,973

16312 6487

4054 4050

9231 MV 9228MV I 0,018 -0,709 -0,691

0,152 -0,643 -0,491

1,079 0,210

0,347

17. Mni 1 ~ , 9 ' 1 S,H" 0,106, 1,001 1,107

5431 MV 5425 MV

-0,068, 1,188

-0,0021 0,115

18. Mai

20. Mxi

1,120

0,113

19,O' I 19,oo

5437MV 5445 MV 1-0,075 1,198 1,123

+0,003 0,113 0,116

-0,007 0,125 0,118 60% I I 6094

6747 6747 I IS,l" 18,l"

9565 M V 9574 MV 0,029 2,072 2,101

M M 2 (mm) (mml (mm)

~ ___ ~ ~-

0,070 0,300 0,370 -0,060 0,2741 0,214

0,109 0,1291 0,238

0,076 0,306~ 0,3S2

0,057 0,185' 0,242

-0,033' 0,2451 0,212

1

0,094 1,004' 1,098

-0,046 0,7341 0,688

-0,034 0,240 0,206

-0,052 2,025i 1,973

0,151 -0,6401 -0,489

0,024 -0,7181 -0,694

0,112 0,9951 1,107

0,027 2,061 2,088

140 L. Holborn u. E. Griineisen.

W N - l C n

4 -l a m Q, Cn Cn C O N N

0 0 0 0 0 0 c n 0 c n 0 0 0 ' 0 0 0 I * I I I I I I I I I I I I I I I e r U 2 W 4 - 1 4 ~ Q , Q , 0 1 C Z W W N h 0 0 4 - l W W W C O a N 0 0 4 - l W c 0 01 cn 0 0 0 0 0 v 1 0 0 w w 0 o c 0 1

-0

I I I 1 g g N

E I I I I I CO

I I I I I I

-4 l I I l + , N p

0 Q, W rp

- I- W z

Ausdehnung von Porzellan und Glas in hoher Temperatur. 141

4.

= 1901

4. Ma -

7. Ma

8. .\I&

10. 818

1, beob, 7. 8. Mai

- t

18,40

4106 .MI 6586

929s

17,30

1842 M7 4177

6703

9556 1" - 0

1 > 1

29721311

4166

5425

6753

18,4'

1827MI

2975

5428

9115

iereckii

M =

(mmj

- 0,045

0,041

- 0,012

-0,016

- 0,049

- 0,008

- 0,004

-0,115

0,002

0,060

- 0,044

- 0,026

-0,078

0,018

0,034

Tabel le r POI

M' (mml

0,9oc

- ~

- -

0,436

0,7 16

0,407

0,525

0,467

0,729

0,742

0,181

0,243

0,260

0,413

0,3 19

0,460

0,573

!llans

2 (mm

- ~

- -

0,391

0,47f

0,45I

0,721

0,624

0,241

0,245

0,216

0,381

0,241

0,494

0,591

a. (gesch

t - -

(853 M l L186

1703

3564

17,7

!976 M\ L172

,436

1760

,835 M\ !978

1432

1123

tten).

M (mm)

~~

-0,015

- 0,007

- 0,048

- 0,005

- 0,126

0,062

0,003

- 0,040

- 0,029 - 0,082

0,040

0,021

- ~

M (mm) - -

0,898

0,437

0,720

0,408

0,519

0,469

0,720

0,743

0,181

0,247

0,256

0,422

0,317

0,455

0,57 3

f 0-250

250-375 0-375

250-500 375-500

0-500 375-625 500- 625

0-625 500-750 625-750

0-750 625-875

0-875 750-100(

0- loo(

+ 0: - - - - -

0,897 - -

~

0,498

1,395 -

- -

0,730 2,125

18 -0, 0,414 - -

0,477

0,881 -

- - -

0,472

1,363 -

- ~

0,708 2,072

- 0,647

0,245 0,892

-

- 0,247 1,139

0,213 1,353

-

-

0,4 16 0,238 0,654 - -

0,497

1,151 - -

-

0,592 1,743

- 0,415

0,651 - - -

0,893

-

1,145 - -

1,370

1,737

2,098

- -

- 2

(mm) - - 0,d57 0,474

0,704

0,393

0,471

0,462

0,715

0,6 17

0,243

0,250

0,216

0,393

0,235

0,495

0,594

- - I , . 100 - - - 856

1327 -

- -

1828 - ~

2358 - -

2812

3565

4306

- ~

142 J. Volborn u. B. Gruneisen.

Dauernde Benderungen. - Die dauernden Aenderungen, welche die Stabe nach den verschiedenen Heizungen erfuhren, zeigen einen systematischen Unterschied. Nach einer Erhitzung auf 1000 O, nach welcher der Heizstrom unterbrochen wurde, sodass sich der Ofen verhaltnismassig schnell abkiihlte , tritt eine Verlangerung des Stdbes bis zu 0,05 mm ein, wahrend sich nach einer schnellen Abkiihlung von 750° abwarts eine etwa ebenso grosse Verkiirzung zeigt. Wird der Stab ofter hintereinander auf eine der beiden Temperahren 1000 O oder 750 O gebracht , so wiederholt sich die Lhngenanderung nicht, ebenso scheint eine Temperatur von 500 O keine Wirkung aus- zuiiben. Die 'Art der Abkiihlung ist ebenfalls nicht ohne Ein- fluss, da eine Verkiirzung eintritt, wenn die Temperatur nach einer Erwarmung auf 1000° erst langsam auf 750° sinkt und daun schneller abfallt.

Die Beobachtungen sind alle bei steigender Temperatur des Ofens angestellt. Es wurde dabei immer so lange gewartet, dass sich dieselbe Temperaturverteilung langs des Stabes her- stellen konnte. Versuche, auch bei fallender Temperatur zu beobachten, fiihrten nicht zum Ziel, weil alsilann der Eintritt des stationaren Zustandes so vie1 Zeit beanspruchte, . dass thermische Nachwirkungen nicht mehr hervortraten. Zu diesem Zwecke miisste man die Warmeisolation des Ofens auf Kosten der Stromzufuhr verringern, was die Riicksicht auf die vor- handene Stromquelle verbot.

Fu r eine luftthermometrische Messung von Temperaturen bis 600° ist neuerdings von Chappu i s und Harke r ' ) ein Gefass aus Berliner Porzellan benutzt worden. Die kubische Ausdehnung dieses Materials wurde auf Grund von Beobach- tungen unter l o o o nach der Formel

P, = P, (1 + 0,000 008 070 t + 0,000 000 008 98 t 2 )

bis 600° extrapolirt. Benutzt man statt dessen unsere Beobach- tungen, so fallt der Siedepunkt des Schwefels, der. zu 445,2O beobachtet wurde, um 0,5 O tiefer. Bei 600° wiirde die Cor- rection 1,l O betragen.

1) J. Chappuis u. J. A. Harker, Trav. et MBm. du Bureau international 12. p. 1. 1900; Phil. Trans. 194A. p. 37. 1900.

rlusdehnvn.9 von Porzellan uncl Glas in hoher Temperatw. 1 49

'1. Jenaer Borosilikatglas 69"'.

Von dem ,Jenaer Thermometerglas 59"' wurden zuerst Stabe im ungekiihlten Zustande untersucht, die nach jeder Heizung dauernde Veranderungen zeigten. So wies ein Stab, der 5 Stunden lang auf 550') gehalten wurde, nach der ,4b- kiihlung eine Verkurzung von 0.79 miu auf. Darauf folgende Heizungen auf 500 O, bei denen die hochste Temperatur iiur etwa 'I, Stunde einwirkte, riefen Verkiirzungen um 0,034, 0,036 und 0,018 mm hervor. Der grosste Teil dieser Aende- rungen trat in der hochsten Temperatur ein, wie sich leicht durch die Mikrometerablesung bei constant gehaltener Tem- peratur beobachten liess. In einem Fall z. B. wurden bei 500 '' in Pausen von je einer halben Stunde Verkiirzungen roil 0,024 und 0,038 mm gemessen.

Darauf wurden zwei Stabe aus verschiedenen Schmelzen im gekiihlten Zustande untersucht , bei denen die dauernden Aenderungen 0,Ol mm nicht uberschritten. Die erste Probe war eine Thermometercapillare (5,2 mm ausserer Durchmesser) von demselben Vorrat, dessen Ausdehnung fruher von T h i e s e n und Scheel ' ) von 0 bis 100 O im ungekuhlten Zustande unter- sucht worden ist. Die Rohre war an ihren Enden zugeschmolzen und trug auf einer bis auf die Capillare angeschliffenen Ebene die eingeatzten Teilstriche. Der Kiihlprocess war an dem fertig geteilten Rohr in dem Glaswerk von S c h o t t & Genossen bei einer so hohen Temperzttur vorgenommen, dass das Glas von dem benutzten Sandbade schon merkliche Eindrticke aufwies.

Die zweite Probe war ein massiver Stab von 5,7 mm Durchmesser, der aus einer neuern Schmelze stammte. Er war sogleich nach dem Ziehen einem Kiihlprocess unterworfen, der keine Spuren hinterlassen, also wohl bei tieferer Temperatur ptattgefunden hatte. Die Teilung war nach dem Kiihlen an- gebracht.

Die folgenden Tabellen inthalten die Ergebnisse fur die beiden Glasstiibe, deren Ausdehnung bei 250, 375 und 500') gemessen wurde.

1 ) M. Thiesen u. K. S c h e e l , Wissensch. Abhsndl. der Phys.- Techn. Reichsanstalt 2. p. 73. 1895.

144

. .

13. April

11j'4h spiiter 15. April

L. Holborn u. E. Gruneisen.

18,P 1796 MI 4082

4117 17,4' 1781 Mb 2860 4064

0,084

0,232 0,010

0,138 -0,008

0,086

~~~

' 1 18,4' 0,581 0,665 1 1 ' 0,084 0,587~ 0,671

' 1806MV 0,238 0,518' 0,756 0,530 0,762

+ 0,010 -0,006' + 0,004 1

1 4092 4119

-0,012 -0,002

' I 17,4' 1

1 ' 1791 MV' 0,525 0,663 0,128' 0,529' 0,657

0,373 -0,001 0,369 0,368 0,304 I 0,090, 0,304 0,390

0-250 0,728 250-375 1 -

0,285 0,141 0,228

0,352 0,019

0,218

-0,202

0-375 250-500 375-500

0-500

*) Zwischen den beideii Jeobachtungen wurde der Stab 6/

1 0,396 0,681

0,233 0,374 0,180 0,408

0,354 0,706 0,342 0,361 0,184 0,402

-0,214 -0,416

gehalten.

~

1901

2. April -~ -~

3. April

I 0,282 0,395 0,132 0,235 0,228 0,181

0,346 0,343

0,020 0,350 0,220 0,187

-0,177 -0,248

t

17,5'

1798 M 6 2892 4094 18,l"

1834 MV 2888

4078

2891

I 17,5 1822M\ 2901

14126

I 2903 4096

j 2877

0,677 0,3671

0,409

' 18,l" 0,689

0,370 0,407

-0,425 1

1845 M i

0,723 0,388

0,777 0,359 1,500

1,111

0,727 -

1,109 - -

1,503

auf 500

Ausdehnuny von Porzellan und Glas in hoher Temperatur. 145

Tabelle 5b. Glasstab, 485,8 mm lang bei Oo.

0,735 0,891 1,126

f 0-250

250-375 0-375

375-500 0-500

0,744 - 0,395 - 1,139 -

0,404 I 0,407 1,530 I 1,546

0,739

1,132

1,538

-

- - -

0,740

1,132

1,538

-

-

Die Ausdehnung l i s t sich bei dem Glas hinreichend genau durch dine Parrabel darstellen. Die Gleichungen lauten fur die Capillare:

3., = 2,811 t + 0,000 389 t', il = 15814t + 0,804 t2] lom9;

fiir den Stab: A,, = 2,843 t + 0,000 466 t2 ,

A = (5852 t + 0,959 la]

(Eingegangen 28. Juni 1901.)

Annalen der Physik. IV. Folge. 6. 10