Tutorium der Grund- und Angleichungsvorlesung Physik. Fluide. SS 2018 | 1. Sem. | B.Sc. LM-Wissenschaften Diese Präsentation ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

Themen Elektrizität Optik Fluide Kinetische Gastheorie Thermodynamik Atomaufbau | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13. Fluide | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.1 Modellvorstellung Fluide Aufgabe (*) Erklären Sie die physikalische Modellvorstellung von Fluiden | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.1 Modellvorstellung Fluide Lösung Atome bzw. Moleküle des Fluids werden als feste Kugeln angesehen Kugeln ziehen sich gegenseitig an (intermolekulare Kräfte, van der Waals-Kraft) Bei Gasen haben die Kugeln einen Abstand untereinander und die intermolekularen Kräfte sind vernachlässigbar Bei Flüssigkeiten wird der Abstand der Kugeln vernachlässigt, die Kräfte müssen berücksichtigt werden. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.2 Fluide Aufgabe (*) Was sind Fluide? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.2 Fluide Lösung Substanzen, die fließen oder strömen können. Die Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit ist dabei sehr unterschiedlich Flüssigkeiten Wasser Blut Öl Gase Sauerstoff Erdgas Luft (Gemisch aus mehreren Gasen) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.3 Unterschiede Festkörper – Fluid Aufgabe (*) Erklären Sie die Unterschiede zwischen einem Festkörper und einem Fluid | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.3 Unterschiede Festkörper – Fluid Lösung Formstabil bei kleinen Kräften feste, regelmäßige, dreidimensionale, oft kristalline Struktur Wichtige Größen Masse Kraft Kugel-Feder-Modell Fluide Form ändert sich auch bei kleinen Kräften (passt sich jeder Behälterform an) Anordnung der Moleküle verändert sich Dichte Druck Kugel-Modell | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.4 Dichte von LM Aufgabe (*) Bei welchen LM spielt bei der Zubereitung die Dichte eine wichtige Rolle? Nennen 2 Beispiele | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.4 Dichte von LM Lösung Latte Macchiato Cocktails | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.5 Druck Aufgabe (*) Wie ist der Druck definiert? Geben Sie die Formel mit den SI-Einheiten in rechteckigen Klammern an. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.5 Druck Lösung Druck ist definiert als Kraft pro Fläche | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.6 Dichte Aufgabe (*) Wie ist die Dichte definiert? Geben Sie die Formel mit den SI-Einheiten in rechteckigen Klammern an. Zeigen Sie, dass | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.6 Dichte Lösung Dichte ist definiert als Masse pro Volumen | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.7 Kompressibilität Aufgabe (*) Warum werden Gase als kompressibel und Flüssigkeiten inkompressibel bezeichnet? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.7 Kompressibilität Lösung Die Dichte von Gasen lässt sich durch Druckerhöhung stark ändern. Gase werden daher als kompressibel bezeichnet. Die Dichte von Flüssigkeiten ändert sich wie bei Festkörpern durch Druckerhöhung nur minimal. Sie werden daher als inkompressibel bezeichnet | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.8 Wasserdruck Aufgabe (**) Berechnen Sie den Gesamtdruck p in einer Wassertiefe h = 15 m. (Hinweis: H2O = 1.000 kg/m3, po = 1.013 hPa) Um welchen Faktor ist der Druck p in 15 m Wassertiefe höher als der Normaldruck po? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.8 Wasserdruck Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.8 Wasserdruck Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.9 Kolben Aufgabe (**) In einem Behälter, der durch einen kreisförmigen Kolben mit einem Durchmesser d = 1 m abgeschlossen ist, befindet sich ein Fluid. Der Behälter soll im Weltraum schweben. Er ist daher vom Vakuum umgeben und nicht der Schwerkraft ausgesetzt. Wie groß ist der Druck p im Fluid in hPa, wenn auf den Kolben eine Kraft F = 150 N einwirkt? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.9 Kolben Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.10 Fluide Aufgabe (*) Was ist die treibende Kraft bei Fluiden? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.10 Fluide Lösung Strömungen in Fluiden entstehen durch (kleine) Druckunterschiede Im Druck verbirgt sich die „treibende Kraft“ bei Fluiden | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.11 Hydrodensitometrie Aufgabe (**) In der Ernährungswissenschaft wird einen Methode zur Bestimmung des Körperfettanteils angewendet, bei der die zu untersuchende Person in ein Wasserbad steigt und das dadurch verdrängte Wasser sowie die Masseänderung gemessen wird. Wie funktioniert die Methode im Prinzip? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.11 Hydrodensitometrie Lösung Es erfolgt eine einfache Dichtebestimmung des Körpers. Da der menschliche Körper keine einfach zu berechnende geometrische Form hat, wird das verdrängte Wasser dem Volumen des Körpers gleichgesetzt. Zusammen mit der Masse der untersuchten Person ergibt sich daraus die Dichte, aus der der Körperfettanteil berechnet werden kann. Die Dichte kann zwischen 0,9 g/cm³ und 1,1 g/cm³ liegen. Im Durchschnitt liegt sie bei Menschen bei 1,0 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.12 Saftpackung Aufgabe 1 (**) Eine Saftpackung mit einer Grundfläche von 50 mm • 80 mm sowie einer Masse m = 1 kg steht auf einer Arbeitsplatte. Wie groß ist der Druck p, den die Saftpackung auf die Arbeitsplatte ausübt? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.12 Saftpackung 1 Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.13 Saftpackung Aufgabe 2 (**) Eine Saftpackung mit einer Grundfläche von 50 mm • 80 mm steht auf einer Arbeitsplatte und erzeugt auf sie einen Druck von 2.000 Pa. Wie groß ist die Masse des Safts, wenn die Packung eine Massen m = 50 g hat? Wie groß ist die Dichte des Safts, wenn in der Packung ein Volumen V = 0,75 L abgefüllt ist? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.13 Saftpackung Aufgabe 2 (**) Sie können bei einer Mehrfachmessung den Druck, den die Packung ausübt mit einer Messunsicherheit von 5% und die Kantenlänge mit einer Messunsicherheit von 1% bestimmen. Wie groß ist die Messunsicherheit bei der Messung? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.13 Saftpackung 2 Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.13 Saftpackung 2 Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.13 Saftpackung 2 Lösung c. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.14 Highheels Aufgabe (**) Ihre Freundin hat sich sehr schicke Highheels gekauft. Die Absätze haben einen Durchmesser d = 1 cm. Wie groß ist die Kraft, mit der die Absätze in den Boden drücken, wenn Ihre Freundin eine Masse m = 60 kg hat? (Die Sohlen unter den Ballen dienen lediglich zum Halten des Gleichgewichts. Sie können bei der Rechnung vernachlässigt werden.) | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.14 Highheels Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.15 Gartenschlauch Aufgabe (**) Die Tülle eines Gartenschlauchs hat eine Querschnittfläche A = 0,75 cm². Das Wasser im Schlauch steht unter einem Druck p = 1,5 Bar. Mit welcher Kraft müssen Sie die Öffnung des Schlauchs mit dem Finger zuhalten, um das Wasser am Ausfließen zu hindern? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.15 Gartenschlauch Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.16 Stempel Aufgabe (**) Durch eine Kraft F = 0,6 kN soll in einer abgeschlossenen Flüssigkeit ein Druck p = 4,8 Bar bewirkt werden. Berechnen Sie die Fläche, die der Stempel dafür haben muss. Warum kommt es dabei nicht auf die Art der Flüssigkeit an? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.16 Stempel Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.16 Stempel Lösung b. Bei Flüssigkeiten handelt es sich immer um ein inkompressibles Fluid. Daher ist es egal, was für eine Flüssigkeit sich im Behälter befindet. Bei einem Gas kann es je nach verwendetem Gas Unterschiede geben. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.17 Quader Aufgabe (**) Auf einen Quader aus Aluminium mit den Abmessungen l = 5 cm, b = 5 cm, h = 3 cm, der reibungsfrei auf horizontaler Unterlage gleiten kann, wirkt eine Kraft F = 2,00 N. Mit welcher Beschleunigung in m/s² bewegt er sich? Hinweis: Dichte von Aluminium: ρAl= 2,7 kg/dm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.17 Quader Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.18 Würfel Aufgabe (**) Wie groß ist die Arbeit in J, die nötig ist, um 2 Würfel mit der Dichte ρ = 0,20 g/cm³ aufeinander zu stellen? Die Kantenlänge der Würfel beträgt l = 5,00 dm | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.18 Würfel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.18 Würfel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.19 Pumpe Aufgabe (**) Welche Wassermenge in m³ wird durch eine Pumpe mit der Leistung P = 50 kW in t =10 h aus einem Schacht mit der Tiefe h = 400 m gefördert? Verwenden Sie im gesamten Rechenweg die Potenzgesetze! Hinweis: Dichte von Wasser ρH2O = 1 kg/dm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.19 Pumpe Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.19 Pumpe Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.19 Pumpe Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.20 Schuhsohle Aufgabe (**) Mit welchem Druck in kPa belastet ein Mensch, der die Masse m = 75 kg hat und auf beiden Beinen steht, den Boden? Die Fläche einer Sohle sei A = 120 cm². | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.20 Schuhsohle Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.21 Pfennigabsatz Aufgabe (**) Welcher Druck in kPa wird auf den waagerechten Boden ausgeübt, wenn eine Dame ihr Gewicht von F = 525 N ganz auf einen ihrer beiden Pfennigabsätze verlagert, dessen Fläche A = 1,50 cm² beträgt. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.21 Pfennigabsatz Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.22 Sektkorken Aufgabe (**) Wie groß ist der Druck in kPa in einer Sektflasche, in der auf die Fläche des Korkens mit dem Durchmesser d = 2 cm eine Schubkraft F = 150 N wirkt? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.22 Sektkorken Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.23 Kühlschranktür Aufgabe (**) In einem absolut dichten Kühlschrank hat sich der Druck durch Abkühlen der Luft auf Pi = 93.745 Pa eingestellt. Der äußere Luftdruck beträgt Pa = 1.013,0 mbar. Welche Kraft ist zum Öffnen der Kühlschanktür erforderlich, wenn die Türfläche A = 0,75 m² beträgt? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.23 Kühlschranktür Lösung hier Druckdifferenz verwenden | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.24 Trockenschrank Aufgabe (**) Im Inneren einen Trockenschrankes herrscht ein Druck, der um 9% unter dem äußeren Luftdruck liegt. Welche Kraft ist zum Öffnen eines Ventiles mit einer durch die Druckdifferenz belasteten Druckfläche von A = 15,0 cm² nötig? Hinweis: Luftdruck PL = 1.013 hPa | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.24 Trockenschrank Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.25 Quecksilber Aufgabe (**) Ein Rohr wird bis zu einer Höhe h = 760 mm mit Quecksilber gefüllt. Auf die Quecksilberoberfläche wirkt ein Luftdruck P0 = 101,3 kPa. Die Dichte des Quecksilbers beträgt ρ= 13,6 g/cm³. Wie groß ist der Gesamtdruck in kPa am Boden des Gefäßes? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.25 Quecksilber Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.26 Wassertank Aufgabe (**) Ein Behälter ist bis zur Höhe h = 6,50 m mit Wasser gefüllt. Welcher Druck in kPa herrscht am Boden des Gefäßes? Hinweise: Luftdruck P0=101,3 kPa Dichte von Wasser ρH2O = 1 kg/dm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.26 Wassertank Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.28 Eisenkugel Aufgabe (**) Welches scheinbare Gewicht in N hat eine im Wasser liegende Eisenkugel mit einem Durchmesser d = 25,0 cm. Hinweis: Dichte von Eisen ρ(Fe)= 7,86 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.28 Eisenkugel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.28 Eisenkugel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.29 Glaskugel Aufgabe (**) Welches „scheinbares“ Gewicht in mN hat eine voll in Wasser eingetauchte Glaskugel mit dem Durchmesser d = 10 mm? Hinweis: Dichte von Wasser ρ = 1 g/cm³ Dichte von Glas ρ = 2,6 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.29 Glaskugel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.29 Glaskugel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.30 U-Rohr Aufgabe (**) In einem U-Rohr steht Wasser, links gegen den Luftdruck P0 = 1.013 mbar, rechts gegen ein Vakuum. Wie groß ist der Höhenunterschied in m? Der Dampfdruck des Wassers sei Null. Hinweis: Dichte von Wasser ρ = 1 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.30 U-Rohr Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.31 Wassersäule Aufgabe (**) Berechnen Sie den Druck, den eine Wassersäule von h = 10,33 m hervorruft. Geben Sie den Druck in mbar an. Hinweis: Dichte von Wasser ρ = 1 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.31 Wassersäule Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.32 Volumen Aufgabe (**) Die Masse eines Pyknometers beträgt mP = 10,3210 g. Es wird mit Wasser gefüllt. Die Masse beträgt jetzt mges = 60,3509 g. Berechnen Sie das Volumen des Pyknometers. Hinweis: ρ(Wasser) = 0,9980 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.32 Volumen Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.33 Dichte 1 Aufgabe (**) In ein Pyknometer mit der Masse mP = 10,3210 g und dem Volumen VP = 51,1320 cm³ wird Saccharose gefüllt. Die Masse beträgt jetzt mges = 61,5117 g. Berechnen Sie die Dichte der Saccharose. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.33 Dichte 1 Aufgabe (**) In einem Tank mit einer unbekannten Flüssigkeit wird auf unterschiedlichen Höhen der Druck gemessen: Zeichnen Sie den Druck als Funktion der Höhe h p 0,2 m 1,78 N/m2 0,4 m 3,52 N/m2 0,6 m 5,28 N/m2 0,8 m 7,08 N/m2 | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.33 Dichte 1 Lösung a. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.33 Dichte 1 Lösung b. | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.34 Dichte 2 Aufgabe (**) In einem Tank mit einer unbekannten Flüssigkeit wird auf unterschiedlichen Höhen der Druck gemessen: Berechnen Sie aus den gegebenen Daten den Mittelwert der Dichte der gelagerten Flüssigkeit. h p 0,2 m 1,78 N/m2 0,4 m 3,52 N/m2 0,6 m 5,28 N/m2 0,8 m 7,08 N/m2 | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.34 Dichte 2 Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.35 Würfel Aufgabe (**) Ein Aluminiumwürfel habe die Seitenlängen l1 = 10,01 mm, l2 = 10,00 mm, l3 = 10,00 mm und die Masse m = 2,702 g. Wie groß ist die Dichte? | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.35 Würfel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.36 Bleikugel Aufgabe (**) Eine Bleikugel wird in einen bis zum Teilstrich 75 ml mit Wasser gefüllten Messzylinder gelegt, wobei der Wasserstand auf 85 ml steigt. Welche Masse in g besitzt die Kugel? Hinweis: ρ(Blei) = 11,3 g/cm³ | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |

13.36 Bleikugel Lösung | 03.2018 | Tutorium Physik LM-Wissenschaften| Fluide | Großmann |