Kap. 8 Thermodynamik

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1 Kap. 8 Themodynamik 1. Tempeatu und Wämeenegie 2. Wämeleitung und Diffusion 3. Hauptsätze de Themodynamik 4. Reale Gase M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 1

2 8.1. Tempeatu Wämeenegie kinetische Enegie de ungeodneten Atombewegung Tempeatu mittlee kinetische Enegie diese Atombewegung Definition: Seien m die Masse, v 2 die mittlee quadatische Geschwindigkeit eine Population von Atomen (Molekülen,...). Dann ist die Tempeatu T des Systems definiet duch 2 3 m v kt Boltzmann-Konstante: k [ T ] 1K 1Kelvin Nachteil: Ungeeignet als Messvoschift k B 1, JK 1 M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 2

3 8.1. Tempeatumessung a) Wämeausdehnung Quecksilbe- / Alkoholthemomete b) T-abhängige elektische Widestand c) Themospannung Themoelement Kupfe (u) U th f (T) (u) d) Wämestahlung Stefan-Boltzmann-Gesetz P T 4 Pyomete Eiswasse 0 Konstantan (Ni, u) wames Wasse Tempeatu T M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 3

4 L L ( T ) T T Lineae Ausdehnungskoeffizient ( T + T ) ( T ) ( T ) L L α Volumenausdehnung: 3 dv V L V dv V γ γ T 3α α T ( T) ( T) 1 [ α] 1 3 dl L 8.1. Themische Ausdehnung E Bindungspotential im Kistall Ruhelage (T 0) themische Ausdehnung lineae Raumausdehnungskoeffizient Wämeschwingung M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 4 Abstand benachbate Atome

5 Ideale Gase (s.u.) T in º a) 8.1. Gasthemomente ( T ) V ( 1 γ T ) V + bei p const. 0 0 V V bei T 0 º b) Gay-Lussac-Gesetz p ( T ) p ( 1+ γ T ) bei V const. Expeimentelle Befund: p p bei T 0 º γ V γ 1 273,15 1 Gasthemomete: V const. T ( p( T ) p ) M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 5 p γ γ 0

6 V const. Gas 8.1. Gasthemomete ( T ) p( 0 ) ρgh p p T ρg γp 0 h Gas Vakuum T 0 feste Make Höhenadjustieung h p V ρ z.b. Quecksilbe U Heizung T flexible Schlauch M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 6

7 8.1. Die elsius-skala ( bei Nomalduck von 1 atm 1, Pa 760 To ) T -Skala: ( T T ) 1 1 S F 100 ( z.b. auf Quecksilbesäule ) Definition: Fixpunkte de elsius-skala Gefiepunkt von H 2 O: T F 0 º Siedepunkt von H 2 O: T S 100 º º Gad elsius Hiezu vewendet: Ausdehnung flüssige / feste Köpe M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 7

8 8.1. Absolute Tempeatu Definition: Absolute Tempeatu T, [T] 1 K 1 Kelvin Aus Gay-Lussac-Gesetz a) T 0K p 0 b) T T folgt: ( T ) p ( 1 γ T ) p + p 0 bei V const. 0 p 1 T γ p 273,15 Folgeung: T [ K] 273,15 + T [ ] M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 8

9 8.1. Tempeatuskalen elsius Skala: 0.01 : Tippelpunkt von Wasse 100 : Siedepunkt von Wasse Faenheit Skala: 0 F: Eis / Salz Mischung 212 : Siedepunkt von Wasse 5 T ( TF 9 32 ) Kelvin Skala: 0 K: Absolute Nullpunkt : Tippelpunkt von Wasse M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 9

10 8.1. Wämemenge Zufühung de Wämemenge Q Tempeatuändeung T Definition (alte Einheit): 1 kcal 1 Kilokaloie ist diejenige Wämemenge, die benötigt wid, um 1kg Wasse bei Nomalduck von 14,5 º auf 15,5 º zu ewämen. Umwandlung elektische Enegie in Wäme elektisches Wämeäquivalent 1kcal 4,186 kws Umwandlung mechanische Enegie in Wäme mechanisches Wämeäquivalent 1kcal 4,186 kj M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 10

11 8.1. Wämeäquivalent elektisch mechanisch U I 1 kg H 2 O Vakuum Dewa W U I t Q 1 kcal 4,186 kws 4,186 kj n Umdehungen F m m g W n 2π mg Behälte mit Wasse Q F Reibung M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 11

12 8.1. Spezifische Wämekapazität Definition: Spezifische Wäme c eines Mateials: Masse des Systems Q c M T spezifische Wäme [ ] 1 1 c J kg K i.a.ist c c( T) Definition: Wämekapazität eines Systems: c M [ ] 1 J K Definition: Spezifische Molwäme mol eines Mateials: c M mol mol, M mol Masse von 1 Mol Die Anzahl de Moleküle in de Stoffmenge von 1 Mol ist gleich de Anzahl de 12 -Atome in 12 g des Kohlenstoff-Isotops 12. Diese Zahl lautet: Avogado-Konstante N A 6, mol 1 M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 12

13 8.1. Messung Spezifische Wämen Q M K c K ( T T ) 2 M ( M c + )( T T ) W W D M 1 T 1 c K H 2 O M W c W ( M )( ) WcW + D TM T1 M ( T T ) K 2 M T 2 Mischungs- Kaloimete D M K c K Anfang: T 2 > T 1 Ende: T 1 T 2 T M M. zu Nedden / S. Kowaik Volesung 23 Mechanik und Themodynamik (Physik I) Seite 13