Tutorium Physik 2. Fluide

7.1 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. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.2 Fluide: Aufgabe (*) Was sind Fluide?

7.2 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) | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.3 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.4 Dichte von LM: Lösung Latte Macchiato Cocktails

7.5 Druck: Lösung Druck ist definiert als Kraft pro Fläche

7.6 Dichte: Aufgabe (*) Wie ist die Dichte definiert?
Geben Sie die Formel mit den SI-Einheiten in rechteckigen Klammern an. Zeigen Sie, dass | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.6 Dichte: Lösung Dichte ist definiert als Masse pro Volumen

7.7 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.8 Wasserdruck: Aufgabe (**)
Berechnen Sie den Gesamtdruck p in einer Wassertiefe h = 15 m. (Hinweis: H2O = kg/m3, po = hPa) Um welchen Faktor ist der Druck p in 15 m Wassertiefe höher als der Normaldruck po? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.9 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.10 Fluide: Aufgabe (*) Was ist die treibende Kraft bei Fluiden?

7.10 Fluide: Lösung Strömungen in Fluiden entstehen durch (kleine) Druckunterschiede Im Druck verbirgt sich die „treibende Kraft“ bei Fluiden | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.11 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.11 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.12 Saftpackung: Aufgabe (**)
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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.13 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.) | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.14 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.14 Gartenschlauch: Lösung

7.15 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.15 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. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.16 Quader: Aufgabe (**) Auf einen Quader aus Aluminium mit den Abmessungen l = 5 dm, b = 5 dm, h = 3 dm, 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.17 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7. 18 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.19 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. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.20 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. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.20 Pfennigabsatz: Lösung

7.21 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.22 Kühlschranktür: Aufgabe (**)
In einem absolut dichten Kühlschrank hat sich der Druck durch Abkühlen der Luft auf Pi = 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.23 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 = hPa | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.23 Trockenschrank: Lösung

7.24 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.25 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.27 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.28 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.29 U-Rohr: Aufgabe (**) In einem U-Rohr steht Wasser, links gegen den Luftdruck P0 = 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.30 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.31 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.32 Dichte: 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. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.33 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? | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.34 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 | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.35 Ideales Gas: Aufgabe (**)
Luft mit einem Volumen V1 = 2,8 m³ und einer Temperatur T1 = 20,0ºC steht unten einem Druck P1 = 700 kPa. Berechnen Sie das Volumen, wenn die Temperatur T2 = 50ºC und der Druck P2 = 100 kPa beträgt. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.36 Komprimierung: Aufgabe (**)
Luft mit einem Volumen V1 = 10m³ und einer Temperatur von T1 = T2 = 27ºC steht unter einem Druck von P1 = 0,11 MPa. Sie soll auf V2= 1,0 m³ komprimiert werden. Berechnen Sie den erforderlichen Druck in MPa. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.36 Komprimierung: Lösung

7.37 Temperatur: Aufgabe (**)
Auf Luft mit gleichbleibendem Volumen V = 5 m³ und einer Temperatur T1 = 27ºC wirkt ein Druck von P1 = 0,12 MPa. Der Druck soll durch Temperaturerhöhung auf P2 = 0,40 MPa gebracht werden. Berechnen Sie die erforderliche Temperatur in ºC. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.38 Stoffmenge: Aufgabe (**)
Berechnen Sie die Stoffmenge eines Gases, das bei einer Temperatur T = 27ºC und einem Druck P = 100 kPa ein Volumen von V = 0,24 m³ einnimmt. Hinweis: Die allgemeine Gaskonstante hat den Wert: R = 8,314 J/(mol•K) | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.38 Stoffmenge: Lösung Warum ist es wichtig, dass die Temperatur in Kelvin und nicht °C eingegeben wird? Für eine Temperatur von 0°C haben wir keine definierte Stoffmenge mehr. Für negative Temperaturen bekommen wir negative Stoffmengen als Ergebnis. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.39 Gaserwärmung: Aufgabe (**)
Luft mit einem Volumen V1 = 5 m³ und einer Temperatur von T1 = 27ºC soll bei konstantem Druck P = 0,12 kPa auf eine Temperatur T2 = 727ºC gebracht werden. Berechnen Sie das Volumen des erwärmten Gases. | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.40 Benzol: Aufgabe (**) Benzol mit einer Masse m = 0,16 g ergab beim Verdampfen ein Volumen V = 58,60 ml. Es wurden weiterhin ein Dampfdruck p = 96,80 kPa und eine Temperatur T = 296 K ermittelt. Berechnen Sie die molare Masse in g/mol des Benzols! Hinweis=: R = 8,314 J/ mol•K | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.41 Gaskonstante: Aufgabe (**)
Unter welchem Druck in kPa steht Luft mit der Masse m = 1,2 kg die bei einer Temperatur T = 17,0ºC ein Volumen V = 0,84 m³ einnimmt? Hinweis: Die allgemeine Gaskonstante hat den Wert: R = 8,314 J/(mol•K) Die molare Masse hat den Wert: M = 29 g/mol | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

7.42 Gaskonstante: Aufgabe (**)
Eine Sauerstoffflasche enthält bei einer Temperatur T = 20ºC und einem Druck P = 120 mbar Sauerstoff mit dem Volumen V = 40 l. Wie groß ist die Masse in kg des abgeschlossenen Gases? Hinweis: Molare Masse M = 32 g/mol, allgemeine Gaskonstante R = 8,314 Nm/(K-mol) | | Tutorium Physik 2 | Fluide | Großmann |

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