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Zurück zur ersten Seite 1 Physik für Mediziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten Prof. Dr. Alois Putzer Physik für Mediziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten.

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1 Zurück zur ersten Seite 1 Physik für Mediziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten Prof. Dr. Alois Putzer Physik für Mediziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten SS Vorlesung Prof. Dr. Alois Putzer

2 Zurück zur ersten Seite 2 Plan : Nächste Vorlesungen Heute : Wärme Phasenübergänge Tiefe Temperaturen Diffusion, Osmose Morgen : Wärmeprozesse im Körper, Grundumsatz Mittwoch : Wärmetransport Danach : Elektrizität

3 Zurück zur ersten Seite 3 Wärme Wärme Temperatur, Wärmemenge, -kapazität Temperatur, Wärmemenge, -kapazität Versuch: Wärmekapazität Versuch: Wärmekapazität Ausdehnung Ausdehnung Gasgesetze Gasgesetze Osmose, Diffusion (Stoffaustausch) Osmose, Diffusion (Stoffaustausch) Tiefe Temperaturen Tiefe Temperaturen Lokalanästhesie,Kältetherapie Lokalanästhesie,Kältetherapie Wärmestrahlung, Wärmeleitung Wärmestrahlung, Wärmeleitung Grundumsatz, Wärmehaushalt Grundumsatz, Wärmehaushalt

4 Zurück zur ersten Seite 4 Ruhende Gase 3 Zustandsgrößen : Volumen V, Druck p und Temperatur T Gasmoleküle bewegen sich statistisch (Brownsche Molekularbewegung) Gesetz von Boyle-Mariotte: p V = konst. (T = konst.)

5 Zurück zur ersten Seite 5 Wärme als thermische Energie Ther mische Energie = kinetische und potentielle Energie der Moleküle. Bei Gasen tritt nur kinetische Energie auf. Die Gesamtenergie(W kin ) ist die Summe der kinetischen Energien aller Gasmoleküle. Bei jedem Stoß der Gasmoleküle an die Ge- fäßwand wird der Impuls p=2mv übertragen. pV = 2/3 W kin Bei steigender Temperatur steigt die kinetische Energie der Gasmoleküle.

6 Zurück zur ersten Seite 6 Zustandsgleichung (Ideale Gase) Zustandsgleichung für ideale Gase pV = N k T N = Anzahl der Moleküle im Volumen V k = 1, J /K (Boltzmann-Konst.)

7 Zurück zur ersten Seite 7 Stoffmengenbegriffe Atomare Maseneinheit: m u = u =1/12 12 C Atomgewicht/Molekulargewicht: gemessen in Einheiten von m u Beispiel CO 2 : *16 = 44 Basiseinheit der Stoffmenge : Mol [mol] 1mol enthält ebensoviele Atome/Moleküle wie 12g 12 C z.B :1 mol CO 2 = 44 g n=Masse/Molekulargewicht (110g CO 2 =2,5mol) Avogadro-Konstante N A = Teilchenzahl/Stoffmenge = 6,022 * / mol

8 Zurück zur ersten Seite 8 Zustandsgleichung (Ideale Gase) Unter Normalbedingungen nimmt 1 mol eines idealen Gases das Molvolumen = 22,41 Liter ein. Zustandsgleichung für 1 mol pV mol = N A k T = R T k = 1, J /K (Boltzmann-Konst.) R = 8,31 J//(mol.K)= molare Gaskonstante Für beliebige Gasmengen: p V = n R T n = Anzahl der Mole

9 Zurück zur ersten Seite 9 Isotherme (gleiche Temperatur) pV = konst. (T=konst.)

10 Zurück zur ersten Seite 10 Isobare (gleicher Druck)

11 Zurück zur ersten Seite 11 Isochore (gleiches Volumen)

12 Zurück zur ersten Seite 12 Änderung der Aggregatzustände von Wasser

13 Zurück zur ersten Seite 13 Verdampfung von Flüssigkeit Beim Verdunsten wird die Verdampfungs- wärme der Umgebung entzogen. Verdunstungskälte beim Schwitzen Lokalanästhesie Bei der Kondensation wird umgekehrt die gleiche Energie als Kondensationswärme frei.

14 Zurück zur ersten Seite 14 Aggregatzustände und Phasenübergänge

15 Zurück zur ersten Seite 15 Dampfdruck Flüssigkeiten können bei jeder Temperatur verdunsten. Moleküle an der Oberfläche können durch Stöße mit anderen Molekülen genügend Energie erhalten, um die Flüssigkeit zu verlassen. Verdunstung ist Oberflächenverdampfung, während beim Sieden Dampfblasen im Innern der Flüssigkeit entstehen, die aufsteigen und damit an die Oberfläche gelangen. In einem geschlossenen Gefäß entsteht oberhalb der Flüssigkeit ein Dampfdruck.

16 Zurück zur ersten Seite 16 Dampfdruckkurven

17 Zurück zur ersten Seite 17 Sieden Beim Sieden ist der Sättigungsdampdruck gleich dem äußeren Druck. Die Siedetemperatur ist druckabhängig. Ein spezielles Beispiel für das Sieden unter hohem Druck ist der Geysir. Durch den Druck der Wassersäule kann das Wasser nicht sieden. Durch Ausdehnung wird ein Teil des Wassers solange aus dem Rohr gedrückt, bis der Druck weit genug abgefallen ist, daß das Sieden explosionsartig einsetzen kann. Das abgekühlte Wasser strömt in das Rohr zurück und der Vorgang beginnt von neuem.

18 Zurück zur ersten Seite 18 Reale Gase (1) (p+p b )(V-b) =n RT (van der Waals) Korrektur auf Kohäsionskräfte und Eigenvolumen der Moleküle. Für T > T k (kritische Temperatur) verhält sich das Gas wie ein ideales Gas. Es bleibt auch bei hohem Druck gasförmig. Für T < T k wird das Gas bei Volumenver- kleinerung beim Erreichen des Sättigungs-dampfdrucks flüssig.Bei weiterer Volu-menverkleinerung bleibt der Druck konstant, bis das Gas vollständig verflüssigt ist.Danach steigt der Druck steil an

19 Zurück zur ersten Seite 19 Reale Gase(2)

20 Zurück zur ersten Seite 20 Reale Gase (1) (p+p b )(V-b) =n RT (van der Waals) Korrektur auf Kohäsionskräfte und Eigenvolumen der Moleküle. Für T > T k (kritische Temperatur) verhält sich das Gas wie ein ideales Gas. Es bleibt auch bei hohem Druck gasförmig. Für T < T k wird das Gas bei Volumenver- kleinerung beim Erreichen des Sättigungs-dampfdrucks flüssig. Bei weiterer Volumen-verkleinerung bleibt der Druck konstant, bis das Gas vollständig verflüssigt ist.Danach steigt der Druck steil an

21 Zurück zur ersten Seite 21

22 Zurück zur ersten Seite 22 Experimente mit CO 2 CO 2 unter hohem Druck Flüssigkeit im Gleichgewicht mit Sättigungs-dampfdruck (bei 293K : 60 bar). Ventil oben : CO 2 Gas strömt aus. (Bierausschank, Sekt) Ventil unten: CO 2 strömt aus und kühlt sich unter Verdampfung ab (-78,5 °C). Beim Ausströmen bei 1 bar wird CO 2 fest, es entsteht Trockeneis. Bei Luftdruck ist CO 2 entweder gasförmig oder fest (abhängig von T).

23 Zurück zur ersten Seite 23 Experimente mit Stickstoff (N 2 ) Die Temperatur von N 2 im Dewar ist konstant (-196 °C).

24 Zurück zur ersten Seite 24 Partialdruck Besteht das Gas aus verschiedenen Atom- oder Molekülarten: (p 1 + p 2 + p 3...)V = (N 1 + N 2 + N 3...)kT p i = N i k T /V (Partialdruck) Gesamtdruck = p 1 + p 2 + p Gesamtzahl der Moleküle = N 1 + N

25 Zurück zur ersten Seite 25 Diffusion Bringt man Fremdatome in ein Gas, so breiten diese sich im ganzen Volumen solange aus, bis alle Molekülsorten gleichmäßig über das ganze Volumen verteilt sind : Diffusion Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von der Masse der Gasmoleküle ab. Da E = 1/2 m v² Wasserstoff diffundiert daher am schnellsten.

26 Zurück zur ersten Seite 26 Diffusion von Gasen

27 Zurück zur ersten Seite 27 Diffusion im Blutkreislauf Diffusions-Teilchenstromdichte j (Teilchen die als Überschuß in 1s den Querschnitt 1m² passiert.(1. Ficksches Gesetz) Lösung von Gasen in Flüssigkeiten ist ein vereinfachtes Modell für den Gasaustausch imBlutkreislauf. Das venöse Blut hat eine geringereO 2 -Stoffmengenkonzentration als dem Gleichgewicht entspricht. Der Gasaustausch erfolgt als Wanddiffusion aus den Alveolen der Lunge in die Lunge.

28 Zurück zur ersten Seite 28 Diffusion von O 2 aus der Lunge ins Blut

29 Zurück zur ersten Seite 29 Osmose Unter Osmose versteht man die Diffusion von Flüssigkeiten durch eine semipermeable (permselektive) Wand d.h. die Diffusion geht nur in eine Richtung. Durch die Osmose baut sich der osmotische Druck auf. Der Stoffaustausch im biologischen Gewebe erfolgt durch Diffusion durch die Zellwand.

30 Zurück zur ersten Seite 30 Pfeffersche Zelle(1) Lösungsmittel wird durch osmotischen Druck durch die Membran getrieben, bis dieser Druck gleich dem hydrostatischen Druck ist.

31 Zurück zur ersten Seite 31 Pfeffersche Zelle Glukoselösung Wasser

32 Zurück zur ersten Seite 32 Physiologische Wirkung der Osmose Osmose spielt eine wichtige Rolle beim Stofftransport im Gewebe. Erythrozyten schrumpfen im Salzwasser (hypertonische Lösung) und quellen in reinem Wasser (hypotonische Lösung). Bei der richtigen Salzkonzentration (isotonische Lösung) kommt es zu keiner Veränderung der Erythrozyten.


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