E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 5. Vorlesung

Transkript

1 E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 5. Vorlesung Heute: - Phasenübergänge - Kondensation Prof. Dr. Jan Lipfert Jan.Lipfert@lmu.de Prof. Dr. Jan Lipfert 1

2 Danke! (für Organisation & ein tolles Publikum) Prof. Dr. Jan Lipfert 2

3 Wiederholung: Freiheitsgrade mehratomarer Gase Freiheitsgrade monoatomares Gas: f = 3 Translation Freiheitsgrade diatomares Gas: f = 7 = 3 Translation + 2 Rotation + 2 Vibration (1 Schwingungsmode) Freiheitsgrade tri-atomares Gas (nicht-linear; sonst 2 Rotation): f = 12 = 3 Translation + 3 Rotation + 6 Vibration (3 Schwingungsmoden) Freiheitsgrade allgemein, N-atomar: f = 6N 6 = Translation + 3 Rotation + 2 x (3N - 6) Vibration (3N 6 Schwingungsmoden) Prof. Dr. Jan Lipfert 3

4 PINGO: Freiheitsgrade von Wasser James Joule (und wir in der Vorlesung!) haben gemessen, dass zur Erwärmung von 1 g flüssigem Wasser um 1 Kelvin eine Energie von 4,2 J nötig ist. Berechnen Sie daraus die (ungefähre) Anzahl der Freiheitsgrade von Wasser nach dem klassischen Gleichverteilungssatz. Abstimmen unter pingo.upb.de, # Hinweis: A) 3 B) 6 C) 12 D) 18 E) 24 Introduction to Chemistry: General, Organic, and Biological Prof. Dr. Jan Lipfert 4

5 Wiederholung: Adiabatische Zustandsänderungen Adiabatenkoeffizient (z.t. auch κ): = C p = f +2 C V f Isotherme T hoch Adiabatengleichungen: V / T f 1 2 = T 1 Adiabate p / V f+2 f = V Isotherme T tief p / T f 2 +1 = T Prof. Dr. Jan Lipfert 5

6 Beispiel: Messung von C p /C V Messung von C p /C V = γ nach Clément-Desormes Nicolas Clément ( ) Charles Desormes ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 6

7 Beispiel: Messung von C p /C V, fort. Messung von C p /C V = γ nach Clément-Desormes Prof. Dr. Jan Lipfert 7

8 Wiederholung: Quantenmechanik in zwei Folien Diskrete Energieniveaus für gebundene Zustände (z.b. Teilchen im Kasten, Wasserstoffatom, harmonisches Oszillator) Planksches Wirkungsquantum h = 6, J s ~ = h/2 Drehimpuls ist quantisiert (j = 0, 1, 2,...); quantisierte Energieniveaus für Rotation Energieniveaus des harmonischen Oszillators: E n = ~!(n ) L = p j(j + 1)~ E rot = j(j + 1) 2I ~ Prof. Dr. Jan Lipfert 8

9 Wiederholung: Einfrieren von Freiheitsgraden Diatomares Gas: Festkörper Prof. Dr. Jan Lipfert 9

10 PINGO: Modelle für diatomares Gas Ein Gas mit N diatomaren Molekülen kann durch zwei verschiedene Modelle klassisch beschrieben werden. Welche der folgenden Aussagen über dieses gas sind wahr? Abstimmen unter pingo.upb.de, # A) Model I hat die spezifische Wärme:. B) Model II hat eine kleinere spezifische Wärme als Model I. C) Model I ist immer richtig. D) Model II ist immer richtig. E) Die Wahl zwischen Model I und Model II hängt von der Temperatur ab. Model I Model II Prof. Dr. Jan Lipfert 10

11 Wärmekapazität von Festkörpern vs. Albert_Einstein Albert Einstein ( ) Peter_Debye Peter Debye ( ) Prof. Dr. Jan Lipfert 11

12 Phasenübergänge Haltepunkt von Wasser Prof. Dr. Jan Lipfert 12

13 Latente Wärme Die latente Wärme (auch Schmelzwärme, Verdampfungswärme, etc.) ist die Wärmeenergie ΔQ, die während eines Phasenüberganges (z.b. Schmelzen/Erstarren, Verdampfen/Kondensieren) aufgenommen oder abgegeben wird. Die Temperatur T ändert sich währenddessen nicht. wiki/joseph_black Joseph Black ( ) Substanz T Sm (K) λ Sm (kj/kg) T Sd (K) λ Sd (kj/kg) Wasser Ethanol Helium - - 4,2 21 Kupfer Prof. Dr. Jan Lipfert 13

14 Phasendiagramme Tripelpunkt: Zustand in dem die drei Aggregatzustände eines Stoffes im thermodynamischen Gleichgewicht sind. Kritischer Punkt: Punkt an dem die Dichten von Flüssigkeit und Gas gleich werden. Oberhalb des kritischen Punktes sind Flüssigkeit und Gas nicht mehr voneinander zu unterscheiden. SF 6 Maschine; Video: Schwefelhexafluorid Prof. Dr. Jan Lipfert 14