Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre Thomas Schörner-Sadenius
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- Gerburg Brauer
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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: thomas.schoerner@desy.de 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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