Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Physik Für Studierende der Pharmazie Andreas J. Kungl Institut für Pharmazeutische Chemie und Pharmazeutische Technologie Universität Graz Stand: Oktober.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Physik Für Studierende der Pharmazie Andreas J. Kungl Institut für Pharmazeutische Chemie und Pharmazeutische Technologie Universität Graz Stand: Oktober."—  Präsentation transkript:

1 Physik Für Studierende der Pharmazie Andreas J. Kungl Institut für Pharmazeutische Chemie und Pharmazeutische Technologie Universität Graz Stand: Oktober 2002

2 1. Physikalische Größen, Einheiten, Mengenbegriffe Physikalische Größe: Eigenschaft und Beschaffenheit physikalischer Objekte, Zustände oder Vorgänge Möglichst wenige Basisgrößen Zuordnung willkürlich gewählter Bezugsgrößen = Einheit Bestimmung physikalischer Größen: Messverfahren Physikalische Größe = Zahlenwert Einheit

3 Internationales Einheitensystem ´´Système International d´Unités´´ BasisgrößeSI-Einheit LängeMeter(m) MasseKilogramm(kg) ZeitSekunde(s) Elektrische StromstärkeAmpere(A) TemperaturKelvin(K) StoffmengeMol(mol) LichtstärkeCandela(C)

4 Mengenbegriffe DefinitionEinheit Massekg Volumenm 3 Stoffmengen = N/N A mol TeilchenanzahlN = n N A dimensionslos Avogadro-Konstante N A 6, mol -1

5 Bezogene Größen a) Volumenbezogen Dichte = m/Vkg/m 3 Teilchenzahldichte N = N/Vm -3 b) Massenbezogen (spezifische Größen) Spezifisches Volumen = V/m = 1/ m 3 /kg c) Stoffmengenbezogen (molare Größen) Molare MasseM = m/nkg/mol Molares VolumenV m = V/nm 3 /mol d) Gehalt Massengehalt (Gew.%) B = m B / m i dimensionslos bzw. % Volumengehalt (Vol.%) B = V B / V i dimensionslos bzw. % Stoffmengengehalt B = n B / n i dimensionslos bzw. % e) Konzentration Massenkonzentration B = m B /Vkg/m 3 Stoffmengenkonz.c B = n B /Vmol/m3 Molalitätm B = n B /MLmol/kg

6 2. Mechanik Teilgebiet der Physik, in dem die Bewegung bzw. die Bewegungsänderung und die Formänderung von Körpern unter der Wirkung von Kräften untersucht wird. 2.1 Bewegungen Körper im Zustand der Ruhe: Lage in Bezug auf seine Umgebung (Koordinaten- system) mit der Zeit nicht verändert Verändert er seine Stellung dauernd, so ist er in Bewegung Gleichförmige Bewegung: in gleichen Zeit- abschnitten werden gleiche Wege zurückgelegt

7 2.1.1 Translationsbewegungen Untersuchung der eindimensionalen Bewegung von Massenpunkten, d.h. von Körpern, deren gesamte Masse in einem mathematischen Punkt vereinigt gedacht ist. Massenpunkt P beschrieben durch Ortsvektor r bzw. durch die Orts- koordinaten r x, r y, und r z. Ortsvektor verändert sich zeitabhängig bei Bewegung des Massen- punktes, zu best. Zeit t gegeben durch r(t) = r x (t) + r y (t) + r z (t) Betrag: r(t) = |r(t)| = r x 2 (t) + r y 2 (t) + r z 2 (t)

8 Die Geschwindigkeit Bei reiner Translationsbewegung ist die einfachste Bewegungsform die geradlinig gleichförmige Bewegung eines Körpers. Körper legt gleiche Wegstücke s in gleichen Zeiten t zurück, d.h. s ~ t wobei der Proportionalitätsfaktor die Geschwindigkeit v ist. v = s / t Einheit: m/s

9 Weg-Zeit-Diagramm: die vom Körper zurückgelegte Wegstrecke s auf der Bahnkurve lässt sich als Funktion der Zeit angeben - s = f(t) ist linear in der Zeit t Die Geschwindigkeit v ist wie der Weg s ein Vektor und kann aus Komponenten zusammengesetzt dargestellt werden

10 Die mittlere Geschwindigkeit Geradlinig gleichförmige Bewegungen sind Spezialfälle,allgemeiner Fall: ungleichförmige Bewegung, d.h. Bahn weder geradlinig noch werden in gleichen Zeiten t gleiche Wegstrecken s zurückgelegt Bahnkurve r(t) eines Massenpunktes, zur Zeit t im Punkt P 1 und zur Zeit t + t am Punkt P 2 Laut Vektoraddition gilt: damit ergibt sich für die Änderung der Lage des Massenpunktes von P 1 nach P 2

11 Mittlere Geschwindigkeit (Durchschnittsgeschwindigkeit) v auf der Strecke P 1 P 2 Bei k Teilstücken Die Momentangeschwindigkeit Wenn mittlere Geschwindigkeit zwischen beliebigen Punkten der Bahn nicht konstant ist, sondern sich dem Betrag und der Richtung nach ändert Angabe der Momentangeschwindigkeit

12 Geschwindigkeit des Massenpunktes zur Zeit t im Punkt P als Grenzwert des Differenzenquotienten für d.h. zeitliche Ableitung von r(t) ergibt die Momentangeschwindigkeit v(t) des Massenpunktes zur Zeit t an einem beliebigen Punkt P der Bahnkurve Der Geschwindigkeitsvektor v(t) zeigt in jedem Punkt der Bahnkurve r(t) in Richtung der Tangente in diesem Punkt. Der Betrag v der Geschwindigkeit ist wegen ds = |dr|

13 Der Betrag der Momentangeschwindigkeit entspricht der Steigung der Tangente s = s(t) in jedem Punkt der Bahnkurve. Eine horizontale Tangente (P 2 ) bedeutet s = const, d.h. der Körper ist an diesem Ort in Ruhe. Weg-Zeit-Diagramm

14 Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm: Auftragen der Steigungen der Tangenten aller Punkte der Bahnkurve als Funktion der Zeit.

15 Die Beschleunigung Bei ungleichförmiger Bewegung ist die Geschwindigkeit v const, sie ändert sich nach Betrag und/oder Richtung. Diese Bewegung heißt beschleunigt. Die Beschluenigung a definiert man als die in der Zeiteinheit t auftretende Änderung der Geschwindigkeit v dividiert durch das Zeit- intervall t Mittlere Beschleunigung Momentanwert der Beschleunigung Beschleunigung ist 1. Differentialquotient der Geschwindigkeit nach der Zeit bzw. der 2. Differentialquotient des Ortsvektors nach der Zeit. Einheit: m/s 2

16 Richtung der Beschleunigung relativ zur Bahnkurve: Zerlegung in eine zur Bahn tangentiale und eine dazu normale Komponente Die Tangentialkomponente a t (t) ändert den Betrag der Geschwindigkeit und die Normalkomponente a n (t) führt zu einer Richtungsänderung der Geschwindigkeit Sonderfälle: - a 0 und |v| konstant, z.B. gleichförmige Kreisbewegung mit a t = 0 und a n = const - beschleunigte Bewegung auf geradliniger Bahn, d.h. a n = 0 daher gilt für momentane Beschleunigung

17 Ist bei beschleunigter Bewegung auf geradliniger Bahn auch a = const spricht man von gleichförmig beschleunigter Bewegung und es gilt d.h. Geschwindigkeit nimmt mit der Zeit linear zu Im Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm erhält man eine Gerade mit der Steigung a = v/ t Zurückgelegter Weg s = s(t) nimmt von t 0 aus zu t 1 und t 2 quadratisch mit der Zeit zu.

18 Bei der ungleichförmig beschleunigten Bewegung kann man eine mittlere oder durchschnittliche Beschleunigung angeben (1): Bewegung mit konst. Geschwindigkeit, a = 0 (2): gleichförmig beschleunigte Bewegung (3): ungleichförmig beschl. Bewegung

19 Zusammenhänge Zusammenhang zwischen Weg s, Beschleunigung a und Zeit t : für s(t 0 ) = 0, bzw. allg Mathematisch stellt die Funktion Der gleichförmig beschleunigten Bewegung eine Parabel dar.

20 Die Geschwindigkeit nimmt bei der gleichförmig beschleunigten Bewegung In gleichen Zeiten um gleiche Beträge zu, d.h. v Besitzt der Körper im Zeitpunkt t 0 = 0 bereits eine bestimmte Anfangs- Geschwindigkeit v(t 0 ) = v 0 ´´Fliegender Start´´

21 Freier Fall und Wurf im Schwerefeld der Erde Alle Körper erfahren im Schwerefeld der Erde eine Beschleunigung a = g in Richtung des Erdmittelpunkts. Die Sog. Fallbeschleunigung g ist für einen festen Ort der Erdoberfläche konstant. Auf dem 50. nördlichen Breitengrad gilt g = 9,81 m·s -2 Wirken auf einen frei beweglichen Körper keine zusätzlichen Kräfte ein (z.B. Luftwiderstand) gleichförmig beschleunigte Bewegung durch Fallbeschleunigung. Freier Fall: Alle Körper fallen im luftleeren Raum gleich schnell und haben Aus der Ruhe heraus nach Zeit t die Geschwindigkeit v = g·t Fallweg (durchfallene Wegstrecke) Fallhöhe (s = h) in der Zeit Endgeschwindigkeit durchlaufen

22 Im Punkt P beträgt nach t = 2s (mit g 10 m·s -2 ): - der Fallweg s = 20 m - die Höhe über der Erdoberfläche h = 30 m - die momentane Fallgeschwindigkeit v = 20 m·s -1 - die Endgeschwindigkeit nach Durchfallen der gesamten Höhe h = h 0 v 31 m·s -1

23 Horizontaler Wurf: ein Körper wird zum Zeitpunkt t = 0 mit der Anfangs- Geschwindigkeit v 0 in horizontaler Richtung (x-Richtung) abgeworfen. Durch Fallbeschleunigung g in vertikaler Richtung (y-Richtung) Zusammensetzung der Bewegung des Körpers aus einer gleichförmig geradlinigen Bewegung in x-Richtung und einer gleichförmig beschleunigten Bewegung in y-Richtung. Für v 0 0 ergeben sich die sog. ´´Wurfparabeln´´ Zur Zeit t gilt: In x-Richtung: momentane Geschwindigkeit: v x = v 0 zurückgelegter Weg: x = v 0 · t In y-Richtung: momentane Geschwindigkeit: v y = g · t zurückgelegter Weg: y = ½ g · t 2 Momentaner Betrag der Bahngeschwindigkeit: (i) (ii) Bahnkurve folgt aus (i) und (ii):

24 2.1.2 Rotationsbewegungen Ein Körper (Massenpunkt P) bewegt Sich auf Kreis mit Radius |r| = r um das Zentrum M. Alle Punkte des Radiusvektors r überstreichen in gleichen Zeiten t den Winkel (Angabe des Winkels im Bogen- maß: = s/r ; Einheit des ebenen Winkels im Bogenmaß ´´Radiant´´ (rad)) Winkelgeschwindigkeit Einheit: rad · s -1 (oft nur s -1 ) ist ein Vektor, der senkrecht auf der Bewegungsebene steht. Ändert sich in der Zeiteinheit t (ungleichförmige Rotationsbewegung) Winkelbeschleunigung = / t Einheit: rad · s -2 (oft nur s -2 )

25 Gleichförmige Kreisbewegung Konstante Winkelgeschwindigkeit, d.h. = 0, d.h. es gilt auch für endliche Zeitintervalle t Es sei T die Zeitdauer für einen vollen Umlauf des Massenpunktes P auf einer Kreisbahn, d.h. Radiusvektor durchläuft einen Vollkreis, also den Winkel 360 o (bzw. 2 im Bogenmaß), dann gilt Damit ergibt sich für die Winkelgeschwindigeit Bei gleichförmiger Kreisbewegung handelt es sich um einen periodischen Vorgang. Kehrwert der Umlaufzeit T (Schwingungsdauer) ist die Frequenz Definition: Einheit: Hertz (Hz); 1 Hz = 1 s -1

26 Winkelgeschwindigkeit auch als Kreisfrequenz bezeichnet: Richtung der Bahngeschwindigkeit v in jedem Punkt P tangential zum Kreis. Bei gleichförmiger Kreisbewegung ändert sich v nicht im Betrag aber in der Richtung. d.h. Verantwortlich für die Änderung der Geschwindigkeitsrichtung ist die Normal- komponente der Beschleunigung a n = const. (a t = 0), wirkt senkrecht zur Bahngeschwindigkeit Radialbeschleunigung, deren Betrag lautet:

27 2.2 Kräfte Bisher: Kinematik – beschreibt die Bewegung eines Körpers Dynamik: Frage nach Bewegungsursache, d.h. Lehre von der Bewegung von Körpern unter dem Einfluß von Kräften Vorhersage möglich! Kraft ist Konzept zur Beschreibung möglicher Wechselwirkungen (freier Massenpunkt ist Idealisierung). Kräfte können durch ihre beschleunigende (oder verzögernde) Wirkung auf bewegliche Körper ihre verformende Wirkung auf Körper beobachtet und gemessen werden.

28 2.2.1 Trägheitskraft Axiome von Newton I. Trägheitsprinzip: jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der geradlinig gleichförmigen Bewegung wenn er nicht durch äußere Kräfte Gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern Diese Eigenschaft wird der trägen Masse des Körpers zugeschrieben. II. Aktionsprinzip: Ein frei beweglicher Körper der Masse m erfährt durch eine Kraft F eine Beschleunigung a, die der wirkenden Kraft proportional ist Einheit: Newton (N) 1 N = 1 kg · m · s -2

29 Beharrungskraft eines Körpers bzgl. Änderung des Bewegungszustandes Trägheitskraft F T (Pseudo- oder Scheinkraft) (d´Alembert) III. Reaktionsprinzip: wirken zwischen zwei Körpern Kräfte, so ist die Kraft F 12, die der Körper 1 auf Körper 2 ausübt, dem Betrag nach gleich F 21, aber der Kraft des Körpers 2, die auf Körper 1 wirkt, entgegengesetzt gerichtet (actio = reactio)

30 2.2.2 Gravitationskraft Zwei punktförmige Körper mit Massen m 1 und m 2 betrachtet Newton´sches Gravitationsgesetz für die Anziehungskräfte F 1 (auf m 1 ) und F 2 (auf m 2 ) bzw. Mit ergibt sich

31 Gravitationskonstante Gewichtskraft Im Gravitationsfeld (Schwerefeld) der Erde erfährt jeder Körper eine Kraft = Schwerkraft oder Gewicht G des Körpers. Erdanziehungskraft zeigt in Richtung Erdmittelpunkt. Es sei M die Masse der Erde, m die Masse des Körpers und R der Erdradius Dann ergibt sich für den Betrag des Gewichts mit der Fallbeschleunigung Der Zahlenwert von g schwankt von Ort zu Ort, auf dem 50. Breitengrad: Fallbeschleunigung ist abhängig von Höhe h über Erdoberfläche

32 2.2.3 Federkraft Verformende Wirkung der Kraft. Beispiel: Schraubenfeder, im Punkt P greift die Kraft F in x- Richtung an Dehnung um |x|. Solange Dehnung im Elas- tizitätsbereich herrscht Ggw. zwischen angreifender Kraft F Und elastischer Rückstellkraft F el (Federkraft, versucht die Feder in Ruhelage (x = 0) zurück- zutreiben) Für kleine Auslenkungen aus der Ruhelage gilt: Hooke´sches Gesetz D heißt Direktionskraft oder Federkonstante, Einheit: N · m -1

33 2.2.4 Zentripetalkraft/Zentrifugalkraft Auf jeden beschleunigten Körper auf einer Kreisbahn wirkt eine Kraft entsprechend der Radialbeschleunigung a r, die die Trägheit der Masse überwindet und den Körper auf die Kreisbahn zwingt Zentripetalkraft F p Ursache z.B. Seil, an dem ein Körper befestigt ist, der auf rotierender Scheibe um eine Achse im Zentrum M gleichförmige Kreisbewegung ausführt. Für Beobachter außerhalb: Körper rotiert um M und wird durch F p auf der Kreisbahn gehalten.

34 Für einen auf der Scheibe mitrotierenden Beobachter bewegt sich der Körper nicht, und für ihn wirkt in dem Seil, mit dem der Körper festge- halten wird, eine radial nach außen gerichtete Kraft. Diese Trägheitskraft heißt Zentrifugalkraft F f (oder Fliehkraft). Große Trägheitskräfte erreicht man z.B. in Zentrifugen (Anwendung: um Stoffe verschie- dener Massendichten voneinander zu trennen) ðeffektive Durchführung von Sedimentations- vorgängen Beispiel Ultrazentrifuge: Umdrehungen/min r = 1 cm a 4 · 10 4 g

35 2.2.4 Reibungskraft Reibung zwischen Festkörpern Es sei N der Betrag der Normalkomponente des Gewichts G des zu bewe- genden Körpers auf die Berührungsfläche der Körper Coulombsches Reibungsgesetz Reibungskoeffizient ist abhängig vom Material und vom Oberflächenzu- stand der Körper. Reibungskraft ist nahezu unabhängig von der Größe der sich berührenden Oberflächen und ist stets der Bewegung entgegengerichtet. Haftreibung:tritt zwischen relativ zueinander unbewegten Körpern auf; h (Haftreibungskoeffizient) abh. von Material u. Oberflächen- beschaffenheit Gleitreibung:bei gegeneinander bewegten Körpern; g Rollreibung:bei Kugellagern und Abrollvorgängen (z.B. Rad) auf; r Bei gleichen Materialien: h > g >> r

36 Reibung zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten oder Gasen Viskose Reibung: bei nicht zu großen Relativgeschwindigkeiten zw. Festkörper und umströmendem Medium wirkt auf den umströmten Körper die Reibungskraft F R v (Stokes-Reibung), wobei v die Relativgeschwindigkeit von Körper und Medium ist. Bei hoher Relativgeschwindigkeit oder ungünstigem Körperprofil: F R v 2 (z.B. Luftwiderstand eines PKW) 2.3 Drehmoment Beispiel geöffnetes Fenster: wenn Kraft senkrecht zum Fenster angreift erhält man eine Winkelbeschleunigung (maximal für Angriffspunkt an der Außenkante des Fensters), d.h. Wirkungsrichtung der Kraft und Abstand von der Drehachse bestimmen die Winkelbeschleunigung und die erfolgende Drehbewegung Zu ihrer Beschreibung: Drehmoment (analoge Größe zur Kraft bei Translations-Bewegungen)

37 z.B. Scheibe mit fest gelagerter Drehachse: im Punkt P greife F an, wobei P auf dem Radiusvektor r vom Drehzentrum 0 entfernt liegt. Um eine Drehung hervorzurufen muß die Kraft eine Komponente in Richtung der Tangente des Bahnkreises von P haben. Außerdem Abstand zw. Angriffspunkt und Drehachse wichtig. Drehmoment T der Kraft F bzgl. des Dreh- zentrums 0: T steht senkrecht auf die von r und F aufgespannte Ebene. Richtung von T gibt den Drehsinn einer Rechtsschraube an. Einheit: N · m, wobei 1Nm =1kg(m 2 /s 2 ) ist Für den Betrag des Drehmoments gilt T = r · F · sin(r, F) oder T = a · F Die Größe a = r · sin(r, F) ist die Komponente von r, die senkrecht auf die Richtung der angreifenden Kraft steht und wird als Kraftarm bezeichnet.

38 2.3.1 Statisches Gleichgewicht Statik sucht nach Bedingungen, unter denen Körper als Funktion der Zeit Im Ruhezustand bleiben (keine Beschleunigungen erfahren) Gleichgewichtsbedingungen. Ein Körper befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Summe aller angreifenden Kräfte und aller äußeren Drehmomente verschwindet: Schwerpunkt Zwei Massen m 1 und m 2 sind miteinander starr verbunden und sollen in einem Punkt unterstützt werden, sodaß sich das System im Gleichgewicht befindet Auffinden des Schwerpunkt des Systems

39 Im Gravitationsfeld wirkt an jeder Masse m die äußere Gewichtskraft G = m · g. Im Massenmittelpunkt S soll die gesamte Masse M = m i vereinigt sein. Insgesamt angreifende Gewichtskraft G = M · g daraus ergibt sich Gleichgewichtsarten In welcher Gleichgewichtslage sich ein Körper befindet, hängt vom Verhalten seines Schwerpunkts bei Bewegung des Körpers ab. stabil: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage wird Schwerpunkt angehoben labil: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage wird Schwerpunkt gesenkt indifferent: bei jeder Verrückung aus Ggw.-Lage bleibt Schwerpunktslage unverändert

40 Das Hebelgesetz Einen um eine Achse drehbaren Körper, an dem zwei oder mehrere Kräfte Angreifen nennt man Hebel. Dieser befindet sich dann im Gleichgewicht, wenn die Summe der an ihm wirkenden Drehmomente bzgl. des Drehpunktes D gleich Null ist. Greifen an einem Hebel nur zwei Kräfte an Drehmomente und Es herrscht Gleichgewicht wenn d.h. betragsmäßig Hebelgesetz Kraftarm mal Kraft = Lastarm mal Last

41 Die Waage Die Balkenwaage stellt einen dreiarmigen Hebel dar: zwei Hebel der Länge l, Die zusammen den Waagebalken 2l bilden, und ein weiterer Hebel für den Zeiger. Die Masse von Balken und Zeiger zusammen sei M (vereinigt im Schwerpunkt S). Im Gleichgewicht muß die Summe der Dreh- momente auf der einen Seite des Drehpunkts gleich der Summe auf der anderen Seite sein. Für kleine Winkel Die Auslenkung ist proportional zur Mehrbelastung m einer Waagschale. Empfindlichkeit = / m umso empfindlicher, je länger und je masseärmer der Waage- balken ist und je näher S an D liegt

42 2.3 Arbeit – Energie – Leistung Energie ist eine der wichtigsten Größen der Physik, die über alle Zustands- änderungen hinweg erhalten bleibt (ändert ihren Wert nicht als Funktion der Zeit) = Erhaltungsgröße Arbeit Konstante Kraft F = |F| greife an einem Körper in Richtung des Weges an, Die ihn um eine Wegstrecke s = |s| verschiebt. Dafür muß Arbeit W auf- gewendet werden gilt, wenn Kraft und Weg parallel sind. Allgemein: Produkt aus der Kraftkomponente in Bewegungs- Richtung und der zurückgelegten Wegstrecke s

43 Erfolgt die Bewegung des Körpers unter der Wirkung der Kraft nicht auf geradliniger Bahn und/oder ist die Kraft längs des Weges nicht konstant, ergibt sich der Beitrag dW zur Gesamtarbeit auf dem Wegelement ds zu bzw. die insgesamt verrichtete Arbeit zwischen den Punkten 1 und 2 Einheit: Joule (J) 1 J = 1 N · m Die Arbeit ist das Wegintegral der Kraft

44 2.3.2 Energie Die Energie ist wie die Arbeit eine skalare Größe und wird in derselben Einheit wie die Arbeit, dem Joule, gemessen Potentielle Energie Kraftfeld: ein Körper erfährt an jedem Punkt des Raumes eine wohldefinierte, Durch die Ortskoordinaten eindeutig bestimmte Kraft. Beispiel: Gravitations- feld der Erde. 2 Klassen von Kraftfeldern a) konservativ: bei Verschiebung eines Körpers von nach ist die Arbeit unabhängig vom gewählten Weg I oder II Die Arbeit auf einem geschlossenen Weg verschwindet in konservativem KF. Beispiel: Gravitationsfeld, Federkraft

45 b) nichtkonservativ: z.B. Reibungskraft, Teil der verrichteten Arbeit in Wärme umgewandelt; Größe des Reibungsverlusts ist abhängig von der Weglänge Gravitationsfeld ist konservativ, d.h. Arbeit ist nur abhängig von der Lage des Anfangs- und Endpunktes bei Verschiebung eines Körpers. Hubarbeit: Körper um h = h 2 – h 1 nach oben heben Wird der Körper nicht genau senkrecht nach oben gehoben: Berücksichtigung von cos (G, s). Diese Arbeit wird im Körper als potentielle Energie bzgl. der Erdoberfläche gespeichert. Willkürlich: Nullsetzung der potentiellen Energie der Erdoberfläche

46 Wird an einem Körper Hubarbeit verrichtet (Verschiebung von 1 nach 2): W 12 = E pot (2) – E pot (1). Verschiebt man ihn auf horizontaler Ebene (h = const): keine Änderung der potentiellen Energie (Lageenergie), Bewegung auf Äquipotentialfläche bzw. –linie Kinetische Energie Beschleunigung durch Kraft ist notwendig für die Erhöhung der Geschwindigkeit eines Körpers. Von der Kraft F längs des Wegelements ds verrichtete Arbeit dW Definition: Bewegungsenergie oder kinetische Energie eines Körpers, der sich translatorisch mit |v| = v bewegt d.h. dW = dE kin Änderung der Geschwindigkeit und damit eine Beschleuni- gung, dW auch als Beschleunigungsarbeit bezeichnet.

47 Rotierende Körper besitzen auch kinetische Energie. Diese lautet für den i-ten Massenpunkt (im senkrechten Abstand r i von der Drehachse) ½ m i · v i 2 = ½ m i · 2 · r i 2. Da in einem rotierenden, starren Körper alle Massenpunkte dieselbe besitzen, ergibt sich die Rotationsenergie zu J (= Trägheitsmoment) ´´übernimmt´´in der Rotationsenergie die Funktion der trägen Masse m Energieerhaltungssatz Reibungsfreies Herabgleiten eines Körpers mit Masse m auf schiefer Ebene, Beschleunigung durch Hangab- triebskraft (P 0 = Nullpunkt von E pot ) Die gesamte kinetische Energie ½ m i · v i 2 stammt aus der potentiellen Energie m · g · h, die am Fußpunkt = 0, d.h. völlig in E kin umgewandelt, Ist.

48 Energieerhaltungssatz der Mechanik (auf den Körper wirken nur konservative Kräfte; System ist abgeschlossen, d.h. es greifen keine äußeren Kräfte an) In jedem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie, das ist die Summe aus potentieller und kinetischer Energie, konstant. Handelt es sich bei dem Körper um eine Kugel: setzt sich die kinetische Energie aus Translation und Rotation zusammen, d.h. Treten nichtkonservative Kräfte auf, z.B. Reibungskraft Verlust an mechani- scher Energie durch Umwandlung in Wärme, d.h. gegen Reibungskräfte verrich- tete Reibungsarbeit taucht in anderer Energieform (= Wärme) wieder auf. Berücksichtigt durch Wärmeenergie Q

49 Durch Hinzunahme weiterer Energieformen (z.B. chemische Energie, Strahlungs- energie, elektrische Energie, etc.) erhält man einen allgemeinen Energie- erhaltungssatz für ein abgeschlossenes System In jedem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt, werden Leistung Die Leistung ist das Verhältnis aus zu verrichtender Arbeit und der dafür benötigten Zeit. Für die mittlere Leistung P erhält man daher:

50 Die momentane Leistung P, die die im (infinitesimalen) Zeitintervall dt verrichtete Arbet dW angibt, ist gegeben durch Einheit: Watt (W) Kennt man die Leistung als Funktion der Zeit P(t), so errechnet sich die Zwischen t 1 und t 2 verrichtete Arbeit zu in der Zeit 0 bis t gilt: Mit dW = P · dt erhält man mit dW = F · ds Die Leistung ergibt sich damit als Skalarprodukt (da v = ds/dt)

51 2.4 Impuls Wenn sich ein Körper (Massenpunkt) mit der Masse m translatorisch mit der Geschwindigkeit v bewegt, so bezeichnet man als Bewegungsgröße oder Impuls Einheit: N · s oder kg · m · s -1 Der Impuls ist ein Vektor, der in die gleiche Richtung wie die Geschwindigkeit zeigt. Umformulierung des II. Newton´schen Axioms: Die Kraft F, die auf die Masse m wirkt, ist gleich der Impulsänderung pro Zeiteinheit. Diese Formulierung schließt auch Fälle mit ein, bei denen sich auch die Masse des Körpers zeitlich ändert

52 Zusammenhang zwischen Impuls und kinetischer Energie: Kraftstoß Ein Körper erfährt zw. t 0 und t 1 eine Änderung seines Impulses durch stoß- weisen Vorgang Kraft weist nicht- konstanten Verlauf mit der Zeit auf. Zeitliche Änderung des Impulses: Zusammenhang zwischen der Kraft im Zeitintervall t = (t 1 – t 2 ) und der erfolg- ten Impulsänderung zeitliches Integral der Kraft (Kraftstoß) Einheit: N · s

53 2.4.2 Impulserhaltungssatz Es seien zwei Massen m 1 und m 2 in einem abgeschlossenen System auf die gegenseitig die inneren Kräfte F 1 und F 2 einwirken. Gemäß dem III. Newtonschen Axiom gilt F 1 = – F 2 bzw. F 1 + F 2 = 0, daraus folgt d.h. Wirken auf ein System keine äußeren Kräfte, so bleibt der Gesamtimpuls (Vektorsumme der Impulse) konstant. 2.5 Drehimpuls Beschreibung des momentanen Bewegungszustands eines Körpers bei der Rotation durch Drehimpuls L.

54 Masse m ist bestimmt durch Ortsvektor r und besitzt Impuls p = m · v Definition des Drehimpulses Einheit: kg · m 2 · s -1 = N · m · s = J · s Drehimpuls hat die Dimension Energie mal Zeit eine solche Größe nennt man Wirkung. Bei gleichförmiger Bewegung steht r normal auf v, für deren Betrag gilt: v = r ·. Damit Ergibt sich für den Betrag |L| = m · r · v = m · r 2 · = J ·. Da im Falle der Kreis- bewegung L und parallel zueinander sind, gilt auch vektoriell Drehimpuls für einen mit um eine feste achse rotierenden starren Körper mit Träg- heitsmoment J und Masse m.

55 2.5.1 Drehimpulserhaltungssatz Aus der Definition des Drehmoments folgt ( ist die Winkelbeschleunigung) Drehmoment bewirkt also Änderung des Drehimpulses. Wenn an einem Körper keine äußeren Drehmomente angreifen (T = 0), und daher dL/dt = 0, folgt daraus Wirken auf ein System keine äußeren Drehmomente, so bleibt der Gesamtdrehimpuls des Systems konstant Drehmoment wird auch null, wenn die am Körper angreifende Kraft eine Zentralkraft ist. Das ist eine Kraft, die auf ein Kraftzentrum hin- oder weg- gerichtet ist und deren Betrag an jedem Punkt mit Ortsvektor r nur vom Abstand r = |r| vom Kraftzentrum abhängt.

56 Beispiel für Drehimpulssatz: Person mit zwei Hanteln auf drehbarem Tisch Gesamtdrehimpuls des sich in Drehbewegung versetzten Systems ist L = J ·. Zieht die Person die Hanteln zu sich heran Änderung der Massenverteilung J wird kleiner. Da abgeschlossenes System gilt: L = const., das ist nur möglich, wenn größer wird. Ausnutzung dieses Effekts bei Pirouetten und Salto.

57 3. Wärmelehre Temperatur ist eine von der Masse und der stofflichen Zusammensetzung eines Körpers unabhängige Zustandsgröße. Sie ist eine skalare Größe und beschreibt den Wärmezustand eines Systems: bei Änderung der Temperatur wird dem System Wärme (= Energie) zu- oder abgeführt. Die benötigte oder freigesetzte Wärmemenge Q ist proportional der Masse m und der stofflichen Zusammensetzung des Systems sowie der Größe der Temperaturänderung. Temperaturskalen SI-Einheit der Temperatur ist das Kelvin (K). Kelvinskala ist die absolute thermodynamische Temperaturskala mit Beginn im absoluten Null- punkt. Fixpunkt: Tripelpunkt des Wassers = 273,16 K. Definition: 1K ist das (1/273,16)-fache Der Tripelpunkttemperatur von Wasser.

58 Temperaturmessung Zugleich mit der Temperatur ändern sich viele physikalische Eigenschaften Von festen, flüssigen und gasförmigen Substanzen, wie z.B. Volumen, Dichte, Elastizität, Oberflächenspannung, Viskosität, elektrische Leitfähigkeit, etc. Diese Änderung für Thermometer genutzt. Bimetallstreifen Die meisten Festkörper dehnen sich bei Temperaturerhöhung aus Aufeinander- bringung von zwei unterschiedlichen Metal- len, die sich unterschiedlich stark bei T- Änderung ausdehnen Bimetallstreifen, Der sich bei T-Änderung biegt (bei Erhöhung zur Seite des Metalls mit geringerem Aus- dehnungskoeffizienten). Einsatzbereich von Bimetallthermometern liegt Zwischen –50 o C und 400 o C. Beispiele für Kombinationen: Aluminium – Kupfer, Eisen – Zink, Messing – Stahl.

59 Flüssigkeitsthermometer Ausdehnung von Flüssigkeiten ist bei gleicher Temperaturänderung viel größer als die von Festkörpern. Bereich Quecksilber-39 o C – 300 o C Quecksilber mit -39 o C – 700 o C (Argon oder Stickstoff) Gasfüllung Alkohol oder Toluol-100 o C – 200 o C Pentan-190 o C – 700 o C Widerstandsthermometer Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand, abhängig von der Art und Reinheit des Metalls, mit steigender Temperatur (z.B. Platin: -250 o C – 1000 o C). Bei Halbleitern sinkt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur und Empfindlichkeit nimmt mit abnehmender Temperatur zu.

60 Thermoelemente Kontaktspannung entsteht durch das Übertreten von Elektronen zwischen zwei verschiedenen Metallen, die durch Klemmen, Löten oder Schweißen verbunden sind. Werden zwei Kontaktstellen auf verschiedenen Temperaturen gehalten Differenz der Kontakt- spannungen als Thermospannung ist der Temperaturdifferenz propor- tional. T 2 ist die zu messende Tem- peratur und T 1 ist die möglichst Konstante Referenztemperatur. Die am Voltmeter abgelesene Spannung entspricht a ist materialspezifische Konstante (Thermokraft), z.B. für Kupfer-Kon- stantan a 42,5 µV/K

61 3.1 Thermische Eigenschaften von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen Lineare Ausdehnung von Festkörpern Metallstab besitzt bei Ausgangstemperatur T 0 die Länge l 0. Bei der Temperatur T = T 0 + gilt Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist gleich der mittleren relativen Längenänderung des Körpers im Temperaturintervall T 0 bis (T 0 + ) und ist gegeben durch Einheit: K -1 Über große Temperaturbereiche ist selbst von der Temperatur abhängig. Beispiele: (Eisen) = 12, /K, (Polyethylen) = /K.

62 3.1.2 Volumenausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten Analog zur linearen Ausdehnung gilt für die Volumenausdehnung bei Tem- peraturerhöhung = T = T – T 0, Volumenausdehnungskoeffizient entspricht der mittleren relativen Volumenänderung des Körpers pro Kelvin. -Werte von Flüssigkeiten sind erheblich höher und variieren stärker mit der Temperatur als jene von Festkörpern Volumen von Flüssigkeiten wächst nicht linear mit der Temperatur. Ausnahme: Quecksilber, über großen Temperaturbereich unabhängig von der Temperatur äquidistante Teilung der Skala auf Hg-Thermometern. Anomalie von Wasser: bei Erwärmung von 0 o C auf 3,98 o C weist Wasser einen negativen Ausdehnungskoeffizienten auf bei dieser Temperatur ist die Dichte von Wasser am höchsten

63 3.1.3 Temperaturabhängigkeit der Dichte Bei der Temperatur T = T 0 + besitzt ein Körper die Dichte Im allgemeinen nimmt die Dichte von festen Körpern und von Flüssigkeiten mit steigender Temperatur ab. Für kleine = T erhält man für die Dichte- änderung = T - 0 Anomalie des Wassers: Maximum der Dichte bei 3,98 o C: H2O = 0, · 10 3 kg · m -3 Unterhalb und oberhalb dieser Tem- peratur ist die Dichte stets kleiner.

64 3.2 Ausdehnung von Gasen – Zustandsgleichungen Ideales Gas: Moleküle sind punktförmig, keine intermolekularen Wechsel- wirkungskräfte, verhalten sich bei Zusammenstößen wie elastische Kugeln. Als ideal kann man Gase weit oberhalb ihres Siedepunkts betrachten. Alle anderen Gase bezeichnet man als real. Zustandsgrößen von Gasen sind Druck p, Volumen, V und Temperatur T. Zustands- änderung unter Konstanthaltung einer Zustandsgröße Gesetz von Boyle und Mariotte Bei konstanter Temperatur sind Druck und Volumen miteinander verknüpft Kurven konstanter Temperatur im p,V-Dia- gramm nennt man Isothermen. T = const.

65 3.2.2 Gesetze von Gay-Lussac Bei Erwärmen eines Gases ändert sich Volumen und Druck. Bei Konstant- halten des Drucks ändert sich Volumen eines Gases linear mit der Temp. 1. Gay-Lussacsches Gesetz für ideale Gase: p = const. V T : Volumen bei T = T 0 + : kubischer Ausdehnungskoeffizient Im (p,V)-Diagramm erhält man parallele Linien zur Abszisse = Isobaren (2) Der Ausdehnungskoeffizient von Gasen ist viel größer als der von Flüssigkeiten und Festkörpern. Für alle idealen Gase Ist er gleich groß

66 Hält man das Volumen es Gases konstant, so ändert sich der Druck linear mit der Temperatur und es gilt das 2. Gesetz von Gay-Lussac für ideale Gase V = const. p T : Volumen bei T = T 0 + : Spannungskoeffizient Der Spannungskoeffizient für ideale Gase ist numerisch gleich groß wie der kubische Ausdehnungskoeffizient. Im (p,V)-Diagramm erhält man parallele Linien zur Ordinate = Isochoren (3) Die beiden Gesetze von Gay-Lussac für ideale Gase lassen sich umformulieren mit T 0 = 273,15 K und = (1/273,15)K -1 d.h. für isobare Zustandsänderungen gilt d.h. für isochore Zustandsänderungen gilt

67 3.2.3 Zustandsgleichung idealer Gase Verknüpft für eine gegebene Menge eines idealen Gases die Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur. Aus dem Avogadroschen Gesetz (´´Ideale Gase enthalten bei gleichem p, V, und T dieselbe Anzahl an Molekülen´´) folgt, daß für ein ideales Gas bei 1013,25 hPa (Normdruck) und bei 0 o C (Normtem- peratur) das molare Volumen V m,0 = 22,41 l/mol beträgt. Ideales Gas mit konstanter Masse m = n · M, d.h. konstanter Stoffmenge, werde Isobar von T 0 auf T erwärmt und dann isotherm von p 0 auf p komprimiert. Mit für den ersten Schritt und ergibt sich Unter Normalbedingungen, d.h. T 0 = 273,15 K, p 0 = 1013,25 hPa und V 0 = n · V m,0, kann die allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase formuliert werden

68 Der Wert der universellen (molaren) Gaskonstanten R ergibt sich zu Der funktionelle Zusammenhang zwischen je zwei der drei Zustandsgrößen lässt sich in (p,V)-, (V,T), bzw. (p,T)-Diagrammen unter Konstanthaltung der dritten Größe darstellen. Bei isothermer Zustandsänderung ergibt sich p · V = const., d.h. das Gesetz von Boyle-Mariotte Bei isobarer Zustandsänderung ergibt sich (V/T) = const. Im (V,T)- Diagramm ergeben sich Geraden deren Steigung umgekehrt pro- portional zum Druck sind. Bei isochorer Zustandsänderung ergibt sich (p/T) = const. Im (p,T)- Diagramm ergeben sich Geraden deren Steigung umgekehrt pro- portional zum Volumen sind.

69 3.2.4 Zustandsgleichung realer Gase Zur Beschreibung realer Gase wird z.B. die Gleichung von van der Waals ver- wendet, die die Wechselwirkung zwischen den Gasmolekülen bei höheren Gas- dichten durch einen inneren Druck, den sog. Binnendruck a/V m 2, sowie das Eigenvolumen der Gasmoleküle durch das sog. Kovolumen b berücksichtigt. Für hohe Temperaturen und geringe Gasdichten geht diese Zustandsgleichung in jene idealer Gase über Zustandsgleichung von Gasgemischen Wobei p i der Partialdruck und n i die Stoffmenge der i-ten Komponente ist (V und T sind Volumen und Temperatur des Gasgemisches) Mit dem Daltonschen Gesetz und dem Stoffmengengehalt ergibt sich

70 3.3 Kinetische Wärme- und Gastheorie Brown´sche Bewegung: Teilchen von Flüssigkeiten und Gasen pendeln nicht um Gleichgewichtslage sondern bewegen sich fortschreitend auf regellosen Zickzackbahnen durch Zusammenstoß mit anderen Teilchen und dadurch Ablenkung Druck und Energie eines Gases Die in der Stoffmenge von einem Mol enthaltene Anzahl von Teilchen ist die Avogadro-Konstante N A 6,022 · (mol) -1. Bezogen auf das molare Volumen eines idealen Gases ergibt die Loschmidt-Konstante (bei 273,15 K und 101,325 kPa)

71 Ableitung des Drucks und der Energie eines Gases aus den Bewegungsvor- gängen der Gasmoleküle. Diese bewegen sich ungeordnet und verhalten sich bei Stößen wie vollkommen elastische Kugeln (ideales Gas). Druck elastische Stöße gegen begrenzende Wände. Die Kraft, die auf die Fläche A wirkt, ist bestimmt durch die Anzahl der Moleküle gleicher Masse m pro Volumseinheit, (N/V), sowie durch das Mittel aller vorkommenden Geschwindigkeits quadrate v 2 Da der Druck p = (F/A) und die Dichte N = (N/V) ist, ergibt sich für die makroskopische Größe des Drucks als Funktion der mikroskopischen Größe v 2 E kin ist die mittlere kinetische Energie eines Teilchens.

72 Einführung des molaren Volumens ergibt Die in einem Mol enthaltene kinetische Energie der Translation ist Da p · V m = R · T erhält man für die mittlere kinetische Energie der Translation aller Moleküle in einem Mol Gas (unabhängig von der Art des Gases) Die Temperatur ist Maß für den Energieinhalt eines idealen Gases (innere Energie) und damit für die mittlere Energie der Bewegung eines Moleküls Die Größe k wird als Boltzmann-Konstante bezeichnet: k 1,381 · (J/K). Beziehung zwischen mittlerem Geschwindigkeitsquadrat der Moleküle und T Damit ergibt sich für den Druck

73 Berücksichtigung der Freiheitsgrade: die Gesamtzahl der Freiheitsgrade eines Gasmoleküls ist die Summe der Translations-, der Rotations-, und der Schwingungsfreiheitsgrade. Nach dem Äquipartitionsgesetz ist im statistischen Gleichgewicht die Energie pro Freiheitsgrad im Mittel ½ · k · T, bzw. pro mol und Freiheitsgrad ½ · N A · k · T = ½ · R · T. Die mittlere Energie eines Mols eines Gases ergibt daher Ohne Berücksichtigung der Schwingungsfreiheitsgrade beträgt i = 3 für ein- atomige, i = 5 für zweiatomige, und i = 6 für dreiatomige Gase Die Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle Für alle vorkommenden Molekülgeschwindigkeiten gibt es eine charakteristische Verteilungsfunktion f(v), die von der Temperatur abhängt. Sie gibt die Häufigkeit an, mit der dN Moleküle eine Geschwindigkeit zwischen v und v + dv aufweisen. Die Wahrscheinlichkeit für eine Geschwindigkeit zwischen v und v + dv beträgt

74 Für ein Gas mit gleicher Geschwindigkeitsverteilung der Teilchengeschwindig keitskomponenten in die drei Raumrichtungen, ergibt sich für die Beträge der Geschwindigkeitsvektoren die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Boltzmann Faktor Die wahrscheinlichste Geschwindigkeit (Maximum der Verteilungskurve) erhält man mit Da die Verteilung unsymmetrisch ist Gas H N O J

75 3.4 Wärme als Energie Wenn zwei Systeme unterschiedlicher Temperatur in Kontakt gebracht werden, so wird solange Wärme auf das kältere System übertragen, bis die beiden dieselbe Temperatur aufweisen. Durch übertragene Wärme ändert sich die innere Energie U der beiden Systeme. Diese kann sich auch durch Verrichtung von Arbeit verändern (= Zuführung von Energie). Wärme ist daher eine Energieform Wärmemenge – Wärmekapazität Es muß einem Körper eine bestimmte Wärmemenge Q zugeführt oder entzogen werden, um seine Temperatur von T 1 auf T 2 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Einheit: Joule (J) 1J = 1 N · m = 1 W · s Alte Einheit: Kalorie (cal) 1cal th = 4,184 J Proportionalitätsfaktor c heißt spezifische Wärmekapazität: diejenige Wärme- Menge, die einem homogenen Körper der Masse 1 kg zugeführt werden muß, um ihn um 1 K zu erwärmen (Einheit: J/(kg · K)). c ist temperaturabhängig und außerdem abhängig von der Art der Erwärmung (Konstanthalten von Druck c p oder Volumen c V ).

76 3.4.2 Molare Wärmekapazität Im Gegensatz zur spezifischen Wärmekapazität ist die Wärmekapazität C eine von der Masse m des Körpers abhängige Größe und ist die Wärmemenge, die notwendig ist um die Temperatur eines Körpers um 1 K zu erhöhen. Einheit: J/K Die molare Wärmekapazität C m ist die Wärmemenge, die notwendig ist, um ein Mol eines Stoffes um 1 K zu erwärmen Einheit: J/(mol · K) M: molare Masse in kg/mol c: spezifische Wärmekapazität Regel von Dulong und Petit (für einatomige Festkörper): Die einem Element im festen Aggregatzustand zugeführte Wärmemenge, die erforderlich ist, um seine Temperatur um 1 K zu erhöhen, ist vom chemischen Charakter unab- hängig du hängt nur von der Zahl der Atome ab, die in der Elementmenge enthalten sind.

77 Die molaren Wärmekapazitäten der meisten festen Elemente sind sehr ähnlich Neumann-Kopp´sche Regel: Die Molwärme ist die Summe der Atomwärmen Kalorimetrie Zur Ermittlung von Wärmekapazitäten verwendet man Kalorimeter. Mischungskalorimeter: Dewar gefüllt mit Wasser (m 1 und T 1 ), Ermittlung von c des Metallstücks (m 2 ) Erhitzen auf T 2 (>T 1 ) Und Einbringen in Dewar Temperatur- gleichgewicht bei Mischungstemp. T mt. Die abgegebene Wärmemenge muß gleich der aufgenommenen sein. Der Festkörper gibt folgende Wärmemenge ab:

78 Es sei C K die Wärmekapazität des Kalorimetergefäßes (Wasserwert) und c H2O die spezifische Wärmekapazität von Wasser, so beträgt die vom Wasser aufge- nommene Wärmemenge Daher gilt: Daraus folgt die spezifische Wärmekapazität des Metallstücks zu Hauptsätze der Wärmelehre Thermodynamisches System: Vielteilchensystem, das mit seiner Umgebung Energie in Form von Wärme oder mechanischer Arbeit austauscht. Offenes System:durch Grenzfläche kann Materie und Energie ausgetauscht werden Geschlossenes System: Grenzflächen für Materie undurchlässig Abgeschlossenes System: undurchlässig für Materie und jede Art Energie

79 Thermodynamisches Gleichgewicht: Eigenschaften ändern sich nicht mit der Zeit Thermodynamische Zustandsgrößen (wie p, V und T) sind von der Vorge- schichte unabhängig; abgeleitete ZG sind die innere Energie U, die Enthalpie H und die Entropie S. Thermodynamische Zustandsgleichungen stellen die Beziehungen zw. den ZG her. Die innere Energie U wird bei vorgegebenem p und V allein durch T bestimmt. Für ein ideales Gas besteht U nur aus kinetischer Energie, d.h. für einatomige Gase gilt Für ein mehratomiges Gas mit i Freiheitsgraden für die Energieaufnahme oder -abgabe gilt

80 Für die Verschiebung eines Stempels, der ein gasgefülltes Volumen V begrenzt, muß Arbeit, die sog. Volumenarbeit, verrichtet werden. Bei einer Verkleinerung des Volumens (dV<0) berechnet sich die Arbeit zur Verschiebung des Stempels aus dW = - p · dV zu Kompressionsarbeit Expansionsarbeit Bei isothermer Ausdehnung (dV > 0) gilt Die Arbeit W´, die vom System nach außen verrichtet wird (gegen äußere Kräfte), ist Gleich – W. Im p,V-Diagramm: Arbeit ist die Fläche unter Der Kurve zwischen V 1 und V 2.

81 Erster HS der Wärmelehre ´´Die Änderung der inneren Energie dU eines Systems ist gleich der Summe aus der dem System von außen zugeführten (bzw. nach außen abgegebenen) Wärmemenge dQ und der von außen zugeführten (bzw. vom System verrich- teten Arbeit dW´´ (besondere Formulierung des Energieerhaltungssatzes) Dem System zugeführte Energien werden positiv, abgegebene negativ gerechnet. Für ein abgeschlossenes System gilt: ´´Die Summe der inneren Energien in einem abgeschlossenen System ist konstant´´. 1. HS entspricht der Erfahrung, daß es keine Maschine gibt, die mehr Energie Liefert als ihr zugeführt wird (Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 1. Art). Isochore Zustandsänderung Zustandsänderung eines idealen Gases entsprechend 2. Gay-Lussac´schem Gesetz. Da V = const keine Arbeit wird verrichtet

82 Die dem idealen Gas zugeführte Wärmeenergie dQ wird zu einer Steigerung der inneren Energie benutzt, d.h. Damit folgt für die Wärmekapazität bei konstantem Volumen Die innere Energie eines idealen Gases bestimmter Masse ist nur von T abhängig Isobare Zustandsänderung Temperaturzunahme bedingt eine Ausdehnung des Gasvolumens 1. Gay-Lussac´sches Gesetz. Ein Teil der zugeführten Wärmeenergie dient zur Erhö- hung der inneren Energie, der andere verrichtet Volumenarbeit (-p · dV) Verschiebung des Stempels gegen äußeren Druck

83 Aus dem 1. HS folgt: oder Daraus ergibt sich und mit und erhält man Die Enthalpie H (oder Wärmeinhalt, Wärmefunktion) ist eine Zustandsfunktion und ist definiert als Die Enthalpieänderung ergibt sich durch Differentiation und bei isobarer Zustandsänderung gilt Daraus folgt, daß d.h. die von einem System bei p = const. Aufgenommene bzw. abgegebene Wärmemenge ist gleich der Zu- bzw. Abnahme der Enthalpie. Für die Wärmekapazität bei konstantem Druck ergibt sich Die Enthalpie eines idealen Gases hängt nur von T ab und ist m proportional

84 Isotherme Zustandsänderung Einbringen des idealen Gases in Wärmebad mit T = const. Wärmezuführung von außen Beschreibung durch Gesetz von Boyle-Mariotte. Da T = const. ist auch U = C v · T konstant und daher dU = 0. Aus dem 1. HS folgt für isotherme Expansion d.h. bei isothermer Zustandsänderung wird die gesamte zugeführte Wärme- menge in mechanische Energie umgesetzt. Wenn sich das Gas im Gefäß mit verschiebbarem Stempel isotherm von V 1 auf V 2 ausdehnen soll, wird Arbeit gegen den äußeren Druck verrichtet und es muß die Wärmemenge dQ = -dW = p · dV quasistatisch zugeführt werden. Die zugeführte Wärmemenge (und damit die Arbeit) ergibt sich zu

85 Adiabatische Zustandsänderung Das bedeutet, es findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt. Wird erreicht entweder durch vollkommene Wärmeisolation oder durch sehr schnellen Ablauf der Änderungsprozesse, sodaß in der kurzen Zeit kein Energieaustausch mit der Umgebung stattfinden kann. Für eine adiabatische Zustandsänderung (dQ = 0) folgt aus dem 1. HS Bei einem adiabatischen Prozeß findet Umwandlung von innerer Energie eines Gases in mechanische Arbeit, bzw. umgekehrt, statt, die mit einer Temperatur- änderung des Gases verbunden ist: Adiabatische Expansion (dV > 0) Temperaturabnahme (Abkühlung) Adiabatische Kompression (dV < 0) Temperaturzunahme (Erwärmung) Allgemein: Adiabatengleichungen (Poisson Gleichungen) stellen den Zusam- menhang zwischen je zwei der Zustandsgrößen p, V und T her

86 oder In diesen Gleichungen bedeuten p 1, V 1, T 1 die Zustandsgrößen vor und p 2, V 2, T 2 nach der adia- batischen Zustandsänderung. Der Adiabatenkoeffizient ist definiert als Im p,V-Diagramm verlaufen die Adiabaten steiler als die Isothermen Die Expansions- oder Kompressions- arbeit folgt aus Integration der adiaba- tischen Zustandsgleichung

87 Kreisprozesse Ein System durchläuft eine Reihe von Zustandsänderungen (z.B. durch Austausch von Arbeit und Wärme mit anderen Systemen) um wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Zustände und charakterisiert durch (p 1,V 1,T 1 ) bzw. (p 2,V 2,T 2 ) sind durch unter- schiedliche Kurven verbunden. Nach Durchlaufen des Kreisprozesses muß die innere Energie des Systems wieder die gleiche sein, d.h. U = 0 und damit nach dem 1. HS auch die Summe der zugeführten und abge- führten Energien in Form von Wärme und Arbeit. Der Carnot´sche Kreisprozeß beschreibt die Zustandsänderungen einer idealisierten Wärmekraftmaschine: die bei T 1 aufgenommene Wärmemenge Q zu (= Q 1 ) wird in mechanische Arbeit W umgewandelt, Restwärmemenge Q ab (= Q 2 ) bleibt übrig und wird bei tieferer Temperatur T 2 wieder vom Gas abgegeben.

88 Der thermischen Wirkungsgrad gibt den Bruchteil der zugeführten Wärme an, die in Arbeit umgewandelt wird. Im Falle eines reversiblen Kreisprozesses folgt d.h. der Wirkungsgrad ist abhängig von der Tempe- raturdifferenz der Wärmebehälter. Da der Carnot´sche Kreisprozeß reversibel ist, kann man ihn auch in umge- kehrter Richtung betreiben Kältemaschine oder Wärmepumpe Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre ´´Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts anderes bewirkt als Die Erzeugung mechanischer Arbeit unter Abkühlung eines Wärmereservoirs´´ (Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 2. Art).

89 Reversibler Prozeß: wenn dem vorgegebenen Prozeß ein im umgekehrten Sinne ablaufender Prozeß folgen kann, ohne daß in der Umgebung Änderungen zurückbleiben. Erreicht durch langsame Zustandsänderungen (Prozeß verläuft quasistatisch). Irreversibler Prozeß: das System kann nicht in den Ausgangszustand zurück- Kehren, ohne daß Änderungen in der Umgebung aufgetreten sind. Irreversible Vorgänge laufen spontan nur in einer Richtung ab, z.B. Erwärmung durch Reibung Umkehrvorgang ist unmöglich (2. HS). In realen Wärmekraftmaschi- nen verlaufen zumindest Teilprozesse irreversibel, d.h. Der Wirkungsgrad realer Wärmekraftmaschinen beträgt: 10-30% für Benzin- motor, 30-40% für Dieselmotor, ca. 43% für Kohlekraftwerk. Entropie Wirkungsgrad des reversiblen Carnot-Prozesses mit idealem Gas als Arbeits- substanz bzw.

90 daraus folgt d.h. die sog. reduzierten Wärmemengen Q/T sind gleich, unabhängig davon, auf welchem Weg sie erreicht wurden. Die beim gesamten Kreisprozeß auf- genommenen reduzierten Wärmemengen sind nur vom Anfangs- und Endpunkt im (p,V)-Diagramm abhängig. Für einen beliebigen Kreisprozeß mit beliebiger Arbeitssubstanz und beliebig vielen Wärmereservoirs der Temperatur T n gilt: Beschreibung des augenblicklichen Zustands eines Systems durch Zustands- größe Entropie S: die Änderung dS entspricht der aufgenommenen oder abge- gebenen reduzierten Wärmemenge in einem reversiblen Kreisprozeß, d.h. Einheit: J/K Da dS nur vom Anfangs- und Endpunkt im Zustandsdiagramm abhängig ist, Beschreibt die Entropie gemeinsam mit p, T, und V den Zustand eines Systems.

91 Die Entropiedifferenz zwischen zwei Zuständen eines Systems lautet: Für reversiblen Kreisprozeß (Austausch verschwindend kleiner Wärme- mengen dQ bei Temperaturen T mit unendlich vielen Wärmereservoirs) Das bedeutet, daß bei einem reversibel geführten Kreisprozeß mit idealem Gas als Arbeitssubstanz in einem abgeschlossenen System gilt S = const. Bei Ablaufen eines irreversiblen Prozesses (bzw. irreversiblen Teilprozessen) folgt S > 0, d.h. es tritt Entropievermehrung auf. 2. HS: ´´In einem abgeschlossenen System kann die Entropie bei irreversiblen Veränderungen nur zunehmen. Von selbst verlaufen nur Vorgänge mit zuneh- mender Entropie. Bei einem idealen reversiblen, quasistatisch ablaufenden Kreisprozeß bleibt die Entropie konstant.´´

92 Entropie und Wahrscheinlichkeit Zwei verschiedene Gase getrennt durch Trennwand, bei Aufhebung: irrever- sible Durchmischung Der unwahrscheinlichere Zustand der Ordnung geht in den wahrscheinlicheren Zustand der Unordnung über Entropie ist Maß für Unordnung. S definiert Über die thermodynamische Wahrscheinlichkeit w durch d.h. je größer der Ordnungszustand desto geringer die thermodynamische Wahrscheinlichkeit desto geringer die Entropie eines Systems.

93 Bei einer Veränderung eines Systems vom Zustand A (mit w A ) in den Zustand B (mit w B ), wobei w B w A sein soll, ändert sich die Entropie entsprechend Dies ist eine weitere Formulierung des 2. HS, wobei S = 0 für reversible und S > 0 für irreversible Prozesse gilt. Anders ausgedrückt: ´´Jeder von selbst ablaufende Vorgang führt in einem abgschlossenen System von Zuständen geringerer Wahrscheinlichkeit zu Zuständen größerer Wahrscheinlichkeit´´ Thermodynamische Potentiale und Gleichgewichte Einführung weiterer Zustandsgrößen für die Beschreibung von Prozessen aus Chemie, Biologie und Pharmazie. Für ein System, das sich im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet, gilt die Ungleichung: (=) für reversible und (<) für irreversible Prozesse Mit dem 1. HS erhält man bei konstanten Stoffmengen n

94 Neue Zustandsfunktion: freie Energie F (Helmholtz-Funktion), Definition: Differentialbildung ergibt woraus sich folgende Ungleichung ergibt: Bei isothermen Prozessen ist dT = 0 und die Änderung der freien Energie ist Höchstens gleich der in das System gesteckten oder der vom System verrichte- ten Arbeit. Für isobar ablaufende Zustandsänderungen wird die freie Enthalpie G (Gibbs- Funktion) eingeführt Differentialbildung ergibt woraus die Ungleichung folgt Da die Arbeit aus Volumenarbeit (-p · dV) und Nicht-Volumenarbeit W NV besteht ergibt sich

95 Für einen isothermen und isobaren Prozeß lautet die Ungleichung: Und für den Fall, daß auch keine Nicht-Volumenarbeit auftritt, stellt die Ungleichung das Kriterium für spontan, isotherm-isobar verlaufende Vorgänge in einem abgeschlossenen System dar. Spontan verlaufen thermodynamische Prozesse stets in Richtung von thermodynamischen Gleichgewichtszuständen, die sich durch ein (relatives) Minimum der thermodynamischen Potentiale auszeichnen Dritter Hauptsatz der Wärmelehre Ist ebenso Erfahrungssatz (in vollkommener Übereinstimmung mit Beobach- tung), der von W. Nernst aufgestellt wurde: ´´Bei einem kondensierten System geht die mit einem Übergang zwischen zwei Zuständen im Gleichgewicht verbundene Entropieänderung gegen null, wenn die absolute Temperatur gegen null geht. ´´ Oder: ´´Die Differenz der freien Energie zweier Zustände eines kondensierten Systems wird temperaturunabhängig bei hinreichend tiefen Temperaturen.´´

96 Bei hinreichend tiefen Temperaturen verlaufen Zustandsübergänge in reinen kondensierten Systemen reversibel, d.h. ohne Entropieänderung. Der Grenz- Wert der Entropie ist am absoluten Nullpunkt gleich null für T 0 Das aber bedeutet, daß für kondensierte Systeme bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt deren molare bzw. spezifische Wärmekapazitäten sowie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sich dem Wert 0 nähern. Daraus folgt eine verallgemeinerte Formulierung des 3. HS: ´´Es ist unmöglich, den absoluten Nullpunkt durch irgendeinen – auch ideali- sierten Prozeß – mit einem System in einer endlichen Anzahl von Schritten zu erreichen´´.

97 3.5 Aggregatzustände der Materie Festkörper: bestimmte, ohne äußere Kraft beibehaltene Gestalt Flüssigkeit: beliebige Gestalt, jedoch bestimmtes Volumen Gas: füllt jedes Volumen aus Phase differenziert innerhalb eines Aggregatszustands (z.B. Graphit und Diamant für festen Kohlenstoff). Die beim Übergang (p = const.) von einer Phase in die andere aufgenommene oder abgegebene Phasenübergangs- wärme Q, bei gleichbleibender Temperatur lautet m: Masse des Körpers q: spezifische Umwandlungswärme (Umwandlungsenthalpie) q ist eine Materialkonstante mit Einheit J/kg. Bei konstant zugeführter (bzw. entzo- gener) Wärmemenge bleibt die Tem- peratur jeweils bei Erreichen der Um- wandlungstemperatur des Stoffes so- lange konstant, bis die Phasenände- rung des Stoffes abgeschlossen ist

98 Entsprechend der spezifischen Umwandlungswärme q lässt sich die molare Umwandlungswärme q m angeben n: Stoffmenge des an der Umwandlung beteiligten Stoffes q: molare Umwandlungswärme (Umwandlungsenthalpie), Einheit: J/mol Zusammenhang zwischen molarer und spezifischer Umwandlungswärme M: Molare Masse Bei allen Phasenumwandlungen ist die Umwandlungstemperatur vom äußeren Druck abhängig. Tritt bei Umwandlung eine Volumenvergrößerung auf (wie bei den meisten Stoffen), so erhöht sich die Umwandlungstemperatur mit steigen- dem Druck. Bei Volumenverkleinerung (z.B. Eis in Wasser) erniedrigt sich die Umwandlungstemperatur bei Drucksteigerung. Die Enthalpieänderung H ist unabhängig vom Weg (Zustandsgröße), auf welchem die Phasenumwandlung erfolgt. Zustandsänderung daher gleich, wenn ein Stoff unmittelbar sublimiert wird ( H s ) oder zunächst geschmolzen ( H m ) und dann verdampft wird ( H e ). Es gilt daher

99 3.5.1 Reaktionswärme, - enthalpie und energie Bei chemischen Reaktionen (allg. isobar und isotherm) findet neben Materie- umsatz auch Energieumsatz statt. Dieser tritt in Form von Wärme (Reaktions- wärme) auf und ist gleich der Reaktionsenthalpie H (außer Volumenarbeit keine Arbeit geleistet). Wenn dabei keinerlei Arbeit verrichtet wird enspricht die Reaktionswärme der Reaktionsenergie U. Reaktionen, bei denen H negativ ist (Ergebnis aus Differenzbildung der Summe der Enthalpien der Endprodukte und jenen der Ausgangsstoffe) nennt man exotherm, ist H > 0 so ist die Reaktion endotherm. Ist der Prozess isotherm- isobar so wird bei einer exothermen Reaktion Energie freigesetzt und in Form von Wärme ( Q < 0) an die Umgebung abgegeben, umgekehrt wird bei einer endothermen Reaktion Energie in Form von Wärme ( Q > 0) aufgenommen. Verbrennungsenthalpie/wärme: verbrennt z.B. Kohlenstoff an der Luft so wird Wärme freigesetzt ( H < 0) C + O 2 CO 2 + Wärme Die bei einer Verbrennung freigesetzte Wärmemenge ist gegeben durch m: Masse des verbrannten Stoffes q V : Spezifische Verbrennungswärme/enthalpie (Einheit J/kg)

100 Bezogen auf ein Mol eines Stoffes erhält man die molare Verbrennungswärme Einheit: J/mol Gleichgewicht von Aggregatszuständen Sättigungsdampfdruck – Dampfdruckkurve Wenn eine Flüssigkeit in einen evakuierten Behälter eingebracht wird, entsteht durch austretende Moleküle in dem Restvolumen des Behälters ein Gasdruck = Dampfdruck. Zum Austreten aus der Flüssigkeit müssen die Moleküle eine bestimmte kinetische Energie (entspr. Der Maxwell-Verteilung) aufweisen, die Ausreicht, um die Oberflächenenregie zu überwinden. Gleichzeitig treten Mole- küle aus der Gasphase wieder in die flüssige Phase in einem abgeschlos- senen Volumen stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen gasförmiger und flüssiger Phase ein, d.h. die Stoffmengen der beiden Phasen bleiben im zeitlichen Mittel konstant. Über der Flüssigkeit stellt sich der sog. Sättigungs- dampfdruck p D (T) ein. Ist abhängig von der Art der Flüssigkeit und von der Temperatur steigt mit steigender Temperatur an.


Herunterladen ppt "Physik Für Studierende der Pharmazie Andreas J. Kungl Institut für Pharmazeutische Chemie und Pharmazeutische Technologie Universität Graz Stand: Oktober."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen