Einführung in die Physik

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1 Einführung in die Physik für Pharmazeuten und Biologen (PPh) Mechanik, Elektrizitätslehre, Optik Klausur: Montag, um Uhr (90 min) Baeyer-HS BUT-FU1.017 und Buchner-HS BUT-F0.001 Nachklausur: Freitag, (vorr. 14:30 bis 16:30 Uhr) Web-Seite zur Vorlesung :

2 Vorlesung Physik für Pharmazeuten und Biologen PPh - 10 Wärmelehre Methoden für tiefe Temperaturen Gemische Nicht-Gleichgewichtszustände Wärmeübertragung Elektrizität elektrische Ladung Coulomb-Gesetz Potential Feldlinien

3 Änderung des Aggregatzustandes Wärme Wärme Wärme entziehen Wärme entziehen

4 Einige Methoden zur Erzeugung tiefer Temperaturen Verdampfung (z.b. Chlorethan, C 2 H 5 Cl, Schweiß ) Adiabatische Expansion (Ideale Gase) Joule-Thomson Effekt (reale Gase mit WW)

5 Mischungen und Lösungen Echte Lösungen sind molekulardisperse Mischungen (Bsp. Kochsalz in Wasser). Es gibt auch Emulsionen und kolloidale Lösungen (z.b. Leim). Eine ideale Lösung (keine WW) zeigt keine Lösungswärme beim Lösungsvorgang. Bei Realen Lösungen (mit WW) können folgende Phänomene auftreten: einerseits: Salzkristall wird aufgelöst andererseits: WW zwischen Ionen und Lösungsmittel möglich bei realen Lösunge Lösungswärme (z.b. Schwefelsäure + Wasser) Dampfdruckerniedrigung Gefrierpunktserniedrigung

6 In Wasser tritt bei Lösung eines Salzes Hydratationsenergie auf, die in Konkurrenz zur Gitterenergie ist. Kältemischung (Eis + Salz) entziehen der Umgebung Schmelz- bzw. Lösungswärme tiefste erreichbare Temperatur (eutektischer Punkt) Beispiele Min. Temperatur ( C) 100 g Wasser g Eis g Wasser + 74 g NaNO g Wasser + 244,8 g CaCl2 6 H2O g Eis + 33 g NaCl g Eis + 81,8 g CaCl2 6 H2O g Eis + 28,2 g MgCl g Eisgrieß + 92,3 g H2SO4 66% g Eis + 122,2 g CaCl2 6 H2O -40

7 Wärmeleitung

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10 Konvektion : Wärmetransport durch Massentransport Bei schlechten Wärmeleitern (Flüssigkeiten und Gasen) spielt der Wärmetransport durch Transport heisser Substanz die dominante Rolle. Da erwärmte Substanzen eine geringere Dichte besitzen, setzt von selber ein Materialfluss ein, wenn Temperaturunterschiede bestehen. Beispiel: Raumheizung, Wind- und Meeresströmungen. (Freie Konvektion) Kaffee abkühlen durch Pusten. (erzwungene Konvektion) Versuch Konvektion

11 Wärmetransport durch Strahlung Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen, welche reflektiert, transmittiert und absorbiert werden kann. Die abgegebene Strahlungsleistung eines Körpers wächst mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur P = σ A ( 4 4 T ) 1 T 2 σ : Stefan Boltzmann Konstante A : Oberfläche T 1 : Körpertemperatur T 2 : Umgebungstemperatur Infrarotbild eines Jungen mit Hund

12 Wärmeisolierung Vakuum : keine Wärmeleitung keine Konvektion Verspiegelte Innenwände : keine Verluste durch Wärmestrahlung Thermosflasche Dewar

13 Bsp. Feuerlaufen Fuß: Konvektion (Blut) Hornhaut hält einiges aus ohne Sauerstoff kein Feuer Kohle: (T ~ 250 C) schlechte Wärmeleitfähigkeit geringe Wärmekapazität

14 Elektrizität

15 Entdeckung der Elektrizität Erscheinungen elektrischer Anziehung wurde schon von den Griechen am Bernstein (griech. ηλεκτρον) beobachtet Barocke Hofgesellschaft bestaunt elektrische Aufladung im Kabinett des Physikers um 1750 Erzeugung von el. Ladung durch Reibung

16 Das Elektrometer ist ein Ladungs-Meter Zur Messung der Ladung wird ein Elektrometer benutzt. Ladung wird auf eine leitende Kugel übertragen die mit zwei Goldlamellen verbunden ist. Die beweglichen Goldlamellen stoßen sich ab und schwenken gegen die Schwerkraft aus. Der Ausschlag ist für kleine Winkel proportional zur übertragenen Ladung

17 Ursache für elektrische Effekte sind elektrische Ladungen - Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen : positive (+) und negative (-) - Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. - Die Kraft zwischen zwei ruhenden Ladungen Q 1 und Q 2 im Abstand r beträgt Q1 Q F = k 2 r (Coulombsches Gesetz) - In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Ladungen konstant. 2 (Ladungserhaltung) - Es gibt Materialien, in denen sich Ladungen leicht bewegen, sog. Leiter und andere Stoffe, sog. Isolatoren, ohne elektrisches Leitvermögen

18 Elektrische Ladung ist eine Eigenschaft der Elementarteilchen (Elementarladung) Ladung ist eine Eigenschaft der Materie. Materie besteht aus "Teilchen", die Ladung und Masse besitzen. Jeder Ladungstransport ist mit Massetransport verbunden Millikan Versuch (Öltröpfchenversuch) Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches, Q=Z e der Elementarladung e = -1, C (Quantisierung der elektrischen Ladung) Die Ladungsträger, die in Leitern frei beweglich sind heißen Elektronen (e - ). Sie sind Elementarteilchen (Ladung e=-1,6022*10-19 C, Masse: 9*10-31 kg). Positive Ladungen tragen die Protonen in den Kernen (Ladung Q p =+1,6022*10-19 C, Masse:1,67*10-27 kg). Atome : Gebilde aus gleicher Anzahl Elektronen, Protronen (und Neutronen) sind exakt neutral

19 Coulomb-Kraft Zwischen den Ladungen wirken Kräfte, die von der Größe der Ladungen und dem Abstand abhängen. In Analogie zur Gravitation gilt das Coulombsche Gesetz F = 1 4πε 0 q1 q 2 r 2 ε 0 : Elektrische Feldkonstante r : Abstand der Ladungen q 1 und q 2 Vektorielle Schreibweise : r 1 q1 q 2 r F = 2 r 4πε r v r r 12 = r2 r1 q 1 q 2 r v 1 r v 2 r

20 Superposition und E-Feld Elektrische Feldstärke (Kraft auf pos. Probeladung) am Ort 0 für mehrere Punktladungen q i v E ges = E = i i v i 1 4πε 0 q r i0 i 2 v r r i0 i0 Superpositionsprinzip r 2 q 2 r 10 r 20 r 40 q 1 r 0 q 4 r 30 r 1 r 3 q 3 r 4

21 Das elektrische Potential Äquivalent zur potentiellen Energie in der Mechanik ist die elektrostatische Arbeit r 2 v v v W12 = F ds = E Q ds 1 1 v E das elektrostatische Potential ist definiert, als den negativen Wert der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um eine Ladung vom Unendlichen bis nach r 0 heranzuführen 1 Q + r ϕ r W ( ) Q 0 ( r0 ) = = r 0 v v E ds Das Potential ist unabhängig vom Weg, auf dem Punkt r 0 erreicht wird. Die Potentialdifferenz zwischen 2 Punkten Feld heißt elektrische Spannung U =ϕ1 ϕ 2 [V]:Volt

22 Potential einer Punktladung ϕ(x) Äquipotential-Linien Zweidimensionale Darstellung der Linien mit ϕ(x,y)=const. x E-Feld + Vergleich mit Höhenlinien

23 Feldlinien σ Q π R ϕ R 0 E = = = 2 ε0 ε0 4 Die Oberflächen von Leitern sind Äquipotentialflächen. => Die Feldlinien müssen senkrecht auf der Oberfläche stehen. Das Feld und die Oberflächenladungsdichte ist an Spitzen größer als an stumpfen Enden.

24 Beispiel: Potential eines Plattenkondensators konstantes Feld W 12 = x2 x1 v v Fds x2 v v = Q E ds x1 x2 = E Q dx x1 = E Q ( x x1) 2 Potential im Kondensator: ϕ ( x)= E x Die Spannung zwischen den 2 Platten mit Abstand d ist: Spannung : U = ϕ( d) ϕ(0) = E d

25 Kondensator und Kapazität -Q +Q U Frage: Welche Spannung U baut sich zwischen den Kondensatorplatten auf? E-Feld: E = U d = Q ε 0 A Q = C U Q = ε 0 A d U Kapazität C [F(arad)]

26 Elektrische Felder in Materie Metalle Q -Q E v Materie = 0 In einem Metallkörper ist das elektrische Feld immer 0 => "Faradayscher Käfig" Dielektrika E Pol +Q -Q v 1 r EMaterie = E0 ε In einem Dielektrikum ist das elektrische Feld um den Faktor 1/ε geschächt. ε: Dielektrizitätszahl

27 Elektrische Felder in Materie: Nichtleiter E 0 +Q -Q E E( + χ ) = E E = E + EPol = 1 ε 0 dielektrische Suszeptibilität Dielektrizitätskonstante σ E Pol Polarisation r r E Pol = χ E r r P = χ E ε 0 Bei gleicher Ladung des Kondensators nimmt die Spannung ab. U = U 0 ε Die Kapazität eines Plattenkondensators C = ε C erhöht sich um den Faktor ε 0

28 Funkenentladung in starken elektrischen Feldern (3 MV/m in Luft) Blitzableiter Elektrostatischer Staubabscheider

29 Piezoelektrizität Mechanische Deformation erzeugt Oberflächenladungen. Vorraussetzung : Kristalle dürfen keine Inversionssymmetrie zeigen (hier z. B. Quarz)

30 Galvanisches Element Elektrochemische Spannungsreihe : Daniell-Element : Eine Kupferelektrode taucht in eine CuSO 4 Lösung, eine Zinkelektrode in eine ZnSO 4 Lösung. Eine poröse Trennwand verhindert die Durchmischung beider Lösungen

31 Elektrische Ladungsverteilung eines Proteins Elektrostatische Kräfte dominieren die Wechselwirkungen zwischen Molekülen positive Ladung negative Ladung