Physik für Mediziner im 1. Fachsemester

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1 Physik für Mediziner im 1. Fachsemester #7 28/10/2008 Vladimir Dyakonov

2 Wärmelehre Teil 1 - Energie, Wärmekapazität

3 Def. 1: Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsform und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten

4 Def. Energie : 1) Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten 2) Energie = Exergie + Anergie Q Q = c m m ΔT auf ΔT kommt es an!

5 Q(H 2 O)=1000g x 4,18J/gK x (43K-20K) = J ~ J E = 12V x 2,3A x 3600s = Ws ~ J Die Energiemenge ist fast gleich Die Qualität dieser Energie ist sehr unterschiedlich

6 Def. 2: Die Wärmelehre oder Thermodynamik beschreibt ein System (abgeschlossen oder offen) durch Zustandsvariablen. Zustandsvariablen sind makroskopische Größen. (Eine mikroskopische Betrachtung ist oft zu komplex.)

7 Stoffmenge Die Menge eines Stoffes wird durch die Teilchenzahl charakterisiert Die Stoffmenge ν ist eine Basiseinheit im SI-System Die Einheit der Stoffmenge ist das Mol Eine Substanz hat die Stoffmenge ν = 1 Mol, wenn die Anzahl der darin enthaltenen Teilchen gleich der Anzahl der Kohlenstoffatome in 12g reinem 12 C ist N A = *10 23 mol -1 Avogadrozahl

8 Temperatur, Wärme und Energie Subjektives Empfinden von Wärme und Kälte Temperaturskala wird willkürlich festgelegt: 2 Fixpunkte lineare Skala zwischen den Fixpunkten Celsius-Skala: Bei Normaldruck, d.h. Luftdruck: hpa (=760 mmhg) (i) Fixpunkte: 1. Eis-Wasser Gemisch ( Eiswasser ): 0º C 2. Siedendes Wasser: 100º C (ii) Zwischen den Fixpunkten wird die Temperaturskala in 100 gleiche Teile zerlegt, und zu kleineren (negativen) und größeren Temperaturen hin linear extrapoliert (nach Celsius, schwedischer Mathematiker, 1742)

9 Temperatur, Wärme und Energie Kelvin-Skala: Beginn der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt (0 K). Der Fixpunkt ist der Tripelpunkt des Wassers ( K oder 0.01 K höher als der Schmelzpunkt von Eis bei Normaldruck)

10 Phasendiagramm - Wasser In der Thermodynamik ist der Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) der Punkt, beschrieben durch Druck und Temperatur, an dem drei Phasen eines Systems mit genau einer Komponente im Gleichgewicht sind. Der Tripelpunkt des Wassers nach dem international akzeptierten Bestwert von Guildner, Johnson & Jones 1976 liegt bei 611,657 ± 0,010 Pa und 273,16 K (0,01 C).

11 Kelvin-Skala Die Temperatureinheit Kelvin wurde 1954 auf Beschluss der 10. Generalkonferenz für Maß und Gewicht durch: 1 K:= T tr /273,16 definiert (T tr die Temperatur des Trippelpunkts von Wasser) Die Festlegung von Einheit ist Menschenwerk und nicht die Folge der Naturgesetzen

12 Temperaturskalen Die Temperatureinheit Kelvin wurde 1954 auf Beschluss der 10. Generalkonferenz für Maß und Gewicht durch: 1 K:= T tr /273,16 definiert (T tr die Temperatur des Trippelpunkts von Wasser) Die Festlegung von Einheit ist Menschenwerk und nicht die Folge der Naturgesetzen Allerdings: Im täglichen Leben benutzt man eine Temperatur mit willkürlich festgesetztem Nullpunkt, die Celsius-Temperatur: T:= T- T 0 = T-273,15 K T 0 Temperatur des Eispunkts

13 Phasendiagramm - Wasser Temperatur des Eispunkts

14 Kelvin-Skala Amtliche Übersetzung: Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. Die Kelvin-Skala ist per Definition seit 1968 nicht mehr in Grad unterteilt. Es heißt deshalb nicht mehr 19 Grad Kelvin (oder 19 K ) sondern einfach nur 19 Kelvin (19 K). Es wurde nach William Thomson, dem späteren Lord Kelvin ( ) benannt, der mit 24 Jahren die thermodynamische Temperaturskala einführte.

15 Temperatur, Wärme und Energie Kelvin-Skala: Beginn der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt (0 K). Der Fixpunkt ist der Tripelpunkt des Wassers ( K oder 0.01 K höher als der Schmelzpunkt von Eis bei Normaldruck)

16 Temperatur, Wärme und Energie Internationale Basiseinheit der Temperaturdifferenz ist [ΔT] = 1 K (Kelvin) Kelvineinheit hat als absoluten Nullpunkt ºC Unterteilung beider Skalen ist aber identisch, d.h. "T = "# Umrechnung von einer Skala in die andere über: T K = " C + 273,15 C