Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie: Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen, Mediziner, Pharmazeuten und Agrarwissenschaftler

520 Pages·2019·11.396 MB·German

by  Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz

Horst Bannwarth
Bruno P. Kremer
Andreas Schulz
Basiswissen
Physik, Chemie
und Biochemie
Vom Atom bis zur Atmung –
für Biologen, Mediziner, Pharmazeuten
und Agrarwissenschaftler
4. Aufl age
Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie
(cid:2) (cid:2)
Horst Bannwarth Bruno P. Kremer
Andreas Schulz
Basiswissen Physik, Chemie
und Biochemie
Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen,
Mediziner, Pharmazeuten und
Agrarwissenschaftler
4., aktualisierte Auflage
HorstBannwarth AndreasSchulz
Frechen,Deutschland UniversitätzuKöln
Köln,Deutschland
BrunoP.Kremer
Wachtberg,Deutschland
ISBN978-3-662-58249-7 ISBN978-3-662-58250-3(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-58250-3
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Zu diesem Buch
EinMenschkannnichtalleswissen,
aberetwasmussjederhaben,
waserordentlichversteht.
GustavFreytag(1816–1895)
ZuunsererbesonderenFreudeliegtdiesesBuchinnerhalbkurzerZeitnunmehrbereitsin
vierterAuflagevor.VordiesemHintergrundglaubenwirdaherdavonausgehenzukönnen,
dass es unsere an diese Darstellung geknüpften Hoffnungen und Ziele voll erreicht hat.
Darin bestärken unsauch die vielen positiven Besprechungenin verschiedenenMedien.
DennochnahmenwirgernedieGelegenheitzuErgänzungenundÜberarbeitungenwahr.
DabeihabenwirineinigenThemenfelderneinigezusätzlicheAkzentegesetzt.
Zu den jeweils rasch vergriffenenfrüheren Auflagen erreichten uns viele direkte Zu-
schriften. Gerne haben wir diese an uns herangetragene konstruktive Kritik sowie An-
regungenfürErweiterungs-bzw.Verbesserungsmöglichkeitenaufgegriffen.Ganzbeson-
deren Dank schulden wir erneut Stefan Brackertz/Köln für bemerkenswert kompetente
Vorschläge.VielenhierungenanntbleibendenKollegendankenwirnachdrücklichfürdie
DurchsichteinzelnerKapitelund/oderfürwertvolleDiskussionen.
Die Ausgangslage für dieses Buch bildeten unsere nicht allzu ermutigenden Wahr-
nehmungen zur naturwissenschaftlichen Grundbildung unserer Studierenden. Auch die
aktuellen Untersuchungen zu diesem Problemfeld stellen den weiterführenden Schulen
in Deutschland immer noch kein allzu ermutigendes Zeugnis aus. Der bei der Kultus-
bürokratiebereitsmehrfachausgebrocheneAktionismushatdieallzu evidentenDefizite
nachunsererEinschätzungbislangwenigodergarnichtausgleichenkönnen,zumalbun-
desweiteineangemesseneundvorallemzeitlichdurchgängigeGrundausbildunginallen
naturwissenschaftlichenFächernnachwievornichterkennbarist.Selektivesundeventu-
ellauch nochoberflächlichesWissen in wenigen Themenschwerpunktenbildetindessen
kein tragfähiges Fundament und ist als Startkapital für das Studium der Naturwissen-
schaften ausgesprochen problematisch. Die Bachelor- bzw. Master-Studiengänge nach
dem Bologna-Prozess, der bestenfalls von den Politikern beklatscht, von der Mehrheit
derHochschullehrerabermitkritischerDistanzwahrgenommenwurde,habendieSitua-
tioneherverschlimmert.ImErgebniszeigtsich, dassStudienanfänger(nichtnur)inden
V
VI ZudiesemBuch
LebenswissenschaftenübervielegrundlegendeFaktenundPhänomenenurunzureichend
informiertsindundsichüberdenBeginndesStudiumshinausbeträchtlichenSchwierig-
keitenausgesetztsehen.MöglichstbreitangelegtenaturwissenschaftlicheKenntnissesind
jedocherwiesenermaßenfüreinerfolgreichesStudiumvonBiologie,MedizinundPhar-
mazie ebenso unverzichtbarwie in anderen Feldern der Lebenswissenschaften wie etwa
derAgrar-undForstwissenschaft.
Wir bieten daher den Studierenden vor dem Hintergrund langjähriger Erfahrungen
aus Lehrveranstaltungen (auch) im Grundstudium mit dem in diesem Buch zusammen-
gestellten Grundwissen von der Physik bis zur Biochemie und Physiologie eine solide
Grundlage und Lernhilfe für die Basismodule in den Bachelor-Studiengängen. Die hier
behandeltenThemendienenderflankierendenVor-undNachbereitungvonKursen,Prak-
tika und Vorlesungen, bieten sich aber auch als zuverlässige Lern- und Verständnishilfe
bei der Vorbereitung für die ersten Prüfungen an. Gerade auch auf diesem Hintergrund
lohntsichdasintensiveDurcharbeitendiesesBuches.Zudemersetztesindenbenannten
FachdisziplinendurchdieKonzentrationaufdasWesentlichemehrerekostenaufwändige
Komplexlehrbücher, die fallweise dennoch zur Ergänzung, Erweiterung und Vertiefung
hinzugezogenwerdensollten.
In diesem Buch werden nur wirklich relevantes Basiswissen, Verständnisgrundlagen
undkeinimbenanntenStudienabschnittentbehrlicherBallastbehandelt.Dennochvermit-
teltesmotivierendeImpulsezurfortlaufendenAktualisierungundVertiefungdesWissens.
Natürlich kann man es mit Erfolg auch zur Wissensauffrischung in den Semestern des
zweitenStudienabschnittsoderzurraschenInformationbeiandererGelegenheitverwen-
den, etwa in der Berufspraxisan Schulen oder im Umwelt- und Gesundheitsbereich bei
ÄmternundBehörden.InnichtwenigenDiskussionenmitFachleutenausWirtschaftund
PolitikhättendieAutorennichtseltengewünscht,dassderWissensstoffeinesBasisbuches
wiedesvorliegendenzurnaturwissenschaftlichenGrundbildunggehört.Generellkommt
esvielfachwenigeraufsektoralesDetailwissenalsaufeinbreitbasiertesVerständnisan.
Wenn es ein vorrangiges Ziel des im derzeitigen Ergebnisgewiss nicht unkritisch zu
bewertenden Bologna-Prozesses ist, europaweit ein Gefüge vergleichbarer Abschlüsse
(Bachelor/Bakkalaureusbzw.Master/Magister)zuschaffensowiedasnotwendigelebens-
lange bzw. lebensbegleitende Lernen zu fördern, dann könntegerade dieses Buch einen
angemessenhilfreichenBeitragleisten.IndiesemSinneversuchenwir,mitunseremBuch
auchzurHarmonisierungunterdenBio-undUmweltwissenschaften undzurKonsistenz
desumfassendennaturwissenschaftlichenWissensundVerstehensbeizutragen.
Wirwünschenallen,diemitdiesemLehrbucharbeiten,optimaleErfolge.
Köln,am15.August20181 HorstBannwarth
BrunoP.Kremer
AndreasSchulz
1Vorexakt770Jahren–am15.August1248–hatderdamaligeErzbischofKonradvonHochstaden
denGrundsteinfürdenKölnerDomgelegt.
Über die Autoren
HorstBannwarthundBrunoP.KremerlehrtenundarbeitenamInstitutfürBiologieund
ihreDidaktik,undAndreasSchulzlehrtamInstitutfürPhysikundihreDidaktikderUni-
versitätzuKöln.
Horst Bannwarth und Bruno P. Kremer sind auch Autoren des Springer-Lehrbuchs
„EinführungindieLaborpraxis“.
BrunoP.KremerhatdasSpringer-Lehrbuch„VomReferatbiszurExamensarbeit“ver-
fasst.
Vonlinksnachrechts:HorstBannwarth,BrunoP.Kremer,AndreasSchulz
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Materie,Energie,Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 KennzeichendesLebendigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Teilen,WachsenundVermehren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 ChemieundPhysikalsBasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Formen,StrukturenundFunktioneninderNatur . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Energetik–ohneEnergieumsatzistLebennichtmöglich . . . . . . . . 8
1.6 LebenunddieHauptsätzederThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 ExperimentesindFragenandieNatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.8 MaßeundMesssysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8.1 SkalareundvektorielleGrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.8.2 BasisgrößenundBasiseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.8.3 AbgeleiteteEinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.8.4 Messfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.5 Fehlerfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.9 FragenzumVerständnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
BasiswissenPhysik
2 Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Masse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 DiebekannteMaterieimUniversum . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.2 EigenschaftenderMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3 Massenkonstanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.4 VolumenundDichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 BewegungsgrößeGeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 GeradliniggleichförmigeBewegung . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 GeradlinigbeschleunigteBewegung. . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Kreisbewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.3.1 Kraftbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3 Kraftwirkung„Beschleunigung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.4 KräftegleichgewichtundKräfteaddition . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.5 Schwerkraft(Gravitation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.6 Trägheitskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.7 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Arbeit,EnergieundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.2 Energiebegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.3 Energieformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.4 Energieerhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.5 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 DrehungenamstarrenKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.1 DrehmomentundHebel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.2 Trägheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.3 Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 VerformungfesterKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.1 ElastischeundinelastischeVerformung. . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.2 ArtenderVerformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7 FlüssigkeitenundGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7.1 Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7.2 Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7.3 Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.7.4 Grenzflächenkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.5 StrömendeFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.8 SchwingungenundWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8.1 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8.2 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.8.3 Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.8.4 ElektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.9 FragenzumVerständnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 ThermodynamischeGrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.2 WärmemengeundWärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.3 ErsterHauptsatzderThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.4 ZweiterHauptsatzderThermodynamik. . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.5 ThermodynamischePotenzialeundReaktionsabläufe . . . . . 72
3.2 KinetischeGastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 IdealesGas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Inhaltsverzeichnis XI
3.2.2 ZustandsgleichungdesidealenGases . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3 RealeGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Wärmetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.1 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.2 Wärmeströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.3 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4 Phasenübergänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.1 Schmelz-undSiedepunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.2 Phasengleichgewichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5 FragenzumVerständnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4 ElektrizitätundMagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 Elektrostatik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.1 LadungundFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.2 PotenzialundPotenzialdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1.3 KapazitätundDielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.1.4 PolarisationimelektrischenFeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 ElektrischerStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.2 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 ElektrischeEnergieundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 Strom-undSpannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3 Leitungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 LeitunginFestkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.2 LeitunginFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.3.3 LeitunginGasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3.4 FreieElektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4 Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.1 MagnetfeldervonStrömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.2 MagnetischeKraftundDrehmoment . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.3 Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.4 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5 Wechselströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.1 Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.2 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5.3 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5.4 Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.6 FragenzumVerständnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1 Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.1 EntstehungvonLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117