Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre Thomas Schörner-Sadenius

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1 Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre Thomas Universität Hamburg Wintersemester 2014/15

2 ORGANISATORISCHES Thomas : Wissenschaftler (Teilchenphysik) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) Kontakt: Telefon DESY, Notkestr. 85, Gebäude 1, Zimmer O2/337 Skript und Bücher: - Vorlesungstemplate typisch zwei Tage vor Vorlesung auf dem Netz - Bücher: Demtröder, Tippler, Giancoli, - Wichtig, in mehr als einem Buch nebenher zu lesen! 2

3 INHALTE 1. Mechanik der Kontinua 1.1 Festkörper (deformierbare Körper) 1.2 Flüssigkeiten (inkompressibel, hydrostatischer Druck) 1.3 Gase (Druck, Kompressibilität, barometrische Höhenformel) 2. Wärmelehre 2.1 Temperatur 2.2 thermische Ausdehnung 2.3 ideales Gas 2.4 kinetische Gastheorie Hauptsatz der Wärmelehre 2.6 spezifische Wärmen und Zustandsänderungen 2.7 Kreisprozesse 2.8 Entropie und 2. Hauptsatz der Wärmelehre 2.9 reale Gase (2.10 Phasen und Phasenübergänge) 3

4 1. MECHANIK DER KONTINUA 4

5 1. FEST FLÜSSIG GASFÖRMIG Bilder: Demtröder 5

6 1. FEST FLÜSSIG GASFÖRMIG Bilder: Demtröder 6

7 1. DICHTE Bild: Tippler 7

8 1.1 FESTKÖRPER ZUG, SPANNNUNG, SCHERUNG Bild: Giancoli 8

9 1.1 BEISPIELE I Bilder: Demtröder 9

10 1.1 BEISPIELE I (fortgesetzt) Bilder: Demtröder 10

11 1.1 BEISPIELE II Bild: Giancoli 11

12 1.1 BEISPIELE III 12

13 1.2 FLÜSSIGKEITEN 13

14 1.2 HYDRAULISCHE PRESSE Bild: Giancoli 14

15 1.2 HYDROSTATISCHER SCHWEREDRUCK 15

16 1.2 KOMMUNIZIERENDE RÖHREN Bild: Wikipedia 16

17 1.2 AUFTRIEB Bild: Giancoli 17

18 1.2 ARCHIMEDES UND KONSORTEN Bild: Giancoli 18

19 1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN I Bild: Giancoli 19

20 1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIa Bild: Giancoli 20

21 1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIb Bild: Giancoli 21

22 1.2 ANMERKUNGEN UND VERSUCHE Bilder: Giancoli 22

23 1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG I Hintergrund von Bernoulli: Newtonsche Bewegungsgleichung eines Volumenelements ΔV Laminare Strömung: große Reibungskräfte; Stromlinien liegen nebeneinander Turbulente Strömung entsteht durch Reibung zwischen Fluid und Wand / Hinderniss è Ausbildung von Wirbeln. Charakteristisch: Reynolds-Zahl: Beispiele: Mensch / Mikrobe in Wasser (ρ(h 2 O)=1 gcm -3 ; η(h 2 O,20 o C)=0.001 N s m -2 ) 23

24 1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG II 24

25 1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG III Bilder: Prof. Merkt, Demtröder 25

26 1.3 GASE Bild: Prof. Merkt 26

27 1.3 GESETZE VON BOYLE-MARIOTTE / GAY-LUSSAC 27

28 1.3 LUFTDRUCK 28

29 1.3 BAROMETRISCHE HÖHENFORMEL Bild: Wikipedia 29

30 2 WÄRMELEHRE 30

31 2.1 TEMPERATUR 31

32 2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG I 32

33 2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG II Bild: Wikipedia 33

34 2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG III Bild: Wikipedia 34

35 EINSCHUB: HOMOSPHÄRE UND HETEROSPHÄRE Bild: Wikipedia 35

36 2.3 IDEALES GAS Bild: Prof. Oepen 36

37 2.3 MOL, MOLVOLUMEN Ein Mol = Menge eines Stoffes (Anzahl Teilchen!), deren Masse in Gramm gleich der Atommasse / Molekülmasse des Stoffs in atomaren Masseneinheiten u ist (1u = 1,66 * kg). 37

38 2.3 IDEALE GASKONSTANTE Bild: Tippler 38

39 2.4 KINETISCHE GASTHEORIE 39

40 2.4 KINETISCHE GASTHEORIE 40

41 2.4 VERTEILUNGEN 41

42 2.4 MAXWELL SCHE VERTEILUNG 1 42

43 2.4 MAXWELL SCHE VERTEILUNG 2 43

44 2.4 MAXWELL SCHE VERTEILUNG 3 Bilder: Giancoli, Wikipedia 44

45 2.4 MAXWELL SCHE VERTEILUNG 4 Bilder:

46 2.5 AUF ZUM 1. HAUPTSATZ 46

47 2.5 ENERGIEFORMEN: W,U,Q 47

48 2.5 ERSTER HAUPTSATZ DER WÄRMELEHRE 48

49 2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität) Bild: physik.uni-wuerzburg.de 49

50 2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität) 50

51 2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität) 51

52 2.6 ISENTROPEN- / ADIABATENKOEFFIZIENT κ 52

53 2.6 ZUSTANDSÄNDERUNGEN 53

54 2.6 ISOTHERME ZUSTANDSÄNDERUNGEN 54

55 2.6 ADIABATISCHE ZUSTANDSÄNDERUNGEN 55

56 2.6 BESTIMMUNG VON κ: CLEMENT-DESORMES Bild: Uni Heidelberg 56

57 2.6 BESTIMMUNG VON κ: RÜCHARDT Bild: Uni Heidelberg 57

58 2.6 ZUSAMMENFASSUNG: ZUSTANDSÄNDERUNGEN 58

59 2.7 KREISPROZESSE Kreisprozess: Folge von Zustandsänderungen eines Fluids, die periodisch abläuft, wobei immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird. (Oft Maschinen, die Wärme in mech. Energie umwandeln, und v.v.) Reversibler Prozess: eine TD Zustandsänderung von Körpern, die jederzeit wieder umgekehrt ablaufen könnte, ohne dass die Körper oder deren Umgebung dabei bleibende Veränderungen erfahren. 59

60 2.7 CARNOT-PROZESS 60

61 2.7 CARNOT-PROZESS 2 61

62 2.7 CARNOT-PROZESS 3 62

63 2.7 WIRKUNGSGRAD 63

64 2.7 STIRLING-MOTOR (1) 64

65 2.7 STIRLING-MOTOR (2) 65

66 2.7 OTTO-MOTOR Bild: Spektrum.de 66

67 2.7 DAMPFMASCHINE (UND TURBINE) Bilder: Wikipedia, Giancoli 67

68 2.7 ABSCHLUSS: WÄRMEKRAFTMASCHINEN 68

69 2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE 69

70 2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (2) 70

71 2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (3) 71

72 2.8 ENTROPIE UND 2. HAUPTSATZ Wärme fliesst von allein nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper, nie umgekehrt. Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts anderes bewirkt als Erzeugung mechanischer Arbeit und Abkühlung eines Wärmereservoirs. Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobiles 2. Art! Es gibt keine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die zwischen Reservoirs mit Temperaturen T 1 und T 2 (T 1 >T 2 ) arbeitet und einen Wirkungsgrad größer als η=1-t 1 /T 2 (Carnot-Maschine) hat. 72

73 2.8 BEWEIS 73

74 2.8 REDUZIERTE WÄRME 74

75 2.8?????? 75

76 2.8?????? 76

77 2.8 ZUSTANDSGRÖSSE ENTROPIE S 77

78 2.8 ENTROPIE UND IRREVERSIBLE PROZESSE 2. Hauptsatz nach Clausius: In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie bei einem irreversiblen Prozess stets zu. Von selbst verlaufen nur Prozesse, bei denen die Entropie wächst! 78

79 2.8 BEISPIEL 1 ZUR ENTROPIE 79

80 2.8 BEISPIEL 2 ZUR ENTROPIE 80

81 2.8 BEISPIEL 3 ZUR ENTROPIE (ZU CLAUSIUS) 81

82 2.8 STATISTISCHE DEFINITION DER ENTROPIE Bild: 82

83 2.8 ZAHLENBEISPIELE 83

84 2.8 ZUSAMMENHANG STATISTIK - TD 84

85 2.9 REALE GASE 85

86 2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 1 Bild: Giancoli 86

87 2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 2 87

88 2.9 PHASEN UND PHASENDIAGRAMME Bild: Giancoli 88

89 2.9 PHASENDIAGRAMME Bild: Wikipedia 89

90 2.9 DAMPFDRUCK Bilder: Wikipedia 90

91 2.9 PHASENDIAGRAMME Bild: Giancoli 91

92 2.9 PHASENDIAGRAMME 92

93 2.9 PHASENDIAGRAMME Bild: LMU München 93

94 2.9 VERSUCHE 94

95 2.9 LUFTFEUCHTIGKEIT 95

96 2.10 NACHTRÄGE 1 BROWNSCHE MOLEKULARBEWEGUNG 96

97 2.10 NACHTRÄGE 2 DIFFUSION UND TRANSPORTPROZESSE 97

98 NICHT BEHANDELT - Grenzflächen - Oberflächenspannung und Kapillarität 98

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