Experimentalphysik 4: Hydromechanik, Wärme- Physik Denken

104 Pages·2011·2.66 MB·German

by  Martin Erdmann (auth.)

Springer-Lehrbuch
Physik Denken

Martin Erdmann
Experimentalphysik 4
Hydromechanik, Wärme
Physik Denken
123
Prof.Dr.MartinErdmann
RWTHAachen
PhysikalischesInstitut3A
Otto-Blumenthal-Str.
52056Aachen
Deutschland
[email protected]
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-13997-0 e-ISBN978-3-642-13998-7
DOI10.1007/978-3-642-13998-7
SpringerHeidelbergDordrechtLondonNewYork
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
(cid:2)c Springer-VerlagBerlinHeidelberg2011
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der
Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der
Funksendung,derMikroverfilmungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherung
in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine
VervielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9.
September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.
ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
Text und Abbildungen wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Verlag, Herausgeber und Autoren
könnenjedochfüreventuellverbliebenefehlerhafteAngabenundderenFolgenwedereinejuristische
VerantwortungnochirgendeineHaftungübernehmen.
Einbandentwurf:WMXDesignGmbH,Heidelberg
GedrucktaufsäurefreiemPapier
SpringeristTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia(www.springer.com)
Physik Denken
Die Physik stellt die Beobachtung, die Erklärung und die Vorhersage von Na-
turvorgängen in den direkten Zusammenhang mit der Mathematik. Physikalische
Denk- und Arbeitsfähigkeiten erfordern deshalb fundierte Kenntnisse über die ex-
perimentellenMethoden,dieInterpretationvonMessungenunddiephysikalischen
Konzepte,dieaufmathematischerBasisentwickeltwerden.
DieLehr-undLernmodulederReihePhysikDenkenorientierensichandenAn-
forderungen des Bachelorstudiums Physik. Die Reihe konkretisiert den Lehr- und
Lernstoff der Experimentalphysikkurse an den Universitäten. Studierende sollen
sichdiewesentlichenphysikalischenKonzepteaneignen,experimentelleundstatis-
tische Methoden zu deren Überprüfung kennenlernen und Fähigkeiten zur Durch-
führungentsprechenderBerechnungenentwickeln.
DiePortionierungdesLernstoffsinderReihePhysikDenken,dieausführlichen
Berechnungen, die vielen Abbildungen, die Beispiele und die kleinen Aufgaben
vermittelndieMachbarkeitdesStudiums.Einige,teilweiseanspruchsvolleExperi-
mentewerdenausführlichbeschrieben.DasLayoutlädtzurMitarbeiteinundbietet
Platz für das Einfügen eigener Anmerkungen. Größe und Gewicht der einzelnen
Lehr-undLernmodulesindzurtäglichenMitnahmeandieUniversitätkonzipiert.
Als Herausgeber der Reihe Physik Denken und Autor des vorliegenden Buchs
dankeichdemSpringer-Verlag,insbesonderedemLektorHerrnDr.rer.nat.Schnei-
der,fürdieprofessionelleUnterstützungbeiderUmsetzungderLehr-undLernmo-
dule.FürdiefachlicheBegutachtungdankeichmeinemKollegenHerrnUniv.-Prof.
Dr.rer.nat.Flügge.VielenengagiertenMitarbeiterndankeichfürKorrekturenund
die Unterstützung beim Übertragen der Formeln und Bilder in das LATEX-System.
MeinerPartnerindankeichfürihrkonstruktivesEncouragement.
Aachen2011 MartinErdmann
v

Inhaltsverzeichnis
1 Hydromechanik ................................................. 1
1.1 Druck ..................................................... 1
1.2 Auftrieb.................................................... 3
1.3 Luftdruck .................................................. 7
1.4 Kontinuitätsgleichung ........................................ 12
1.5 Bernoulli-Gleichung ......................................... 16
2 ThermischeAusdehnung ......................................... 23
2.1 Längenausdehnung .......................................... 23
2.2 Volumenausdehnungfester,flüssigerStoffe ...................... 25
2.3 ThermischeAusdehnungvonGasen ............................ 27
2.4 IdealesGasgesetz............................................ 32
3 KinetischeGastheorie ........................................... 35
3.1 EnergiederGasatome ........................................ 35
3.2 AbsoluteTemperatur......................................... 39
3.3 Celsius-undKelvinskala...................................... 41
3.4 Geschwindigkeitsverteilung ................................... 42
4 Wärme ......................................................... 45
4.1 Wärmeenergie .............................................. 45
4.2 SpezifischeMolwärme ....................................... 48
4.3 Wärmetransport ............................................. 51
5 Thermodynamik ................................................ 59
5.1 ThermodynamischeZustände.................................. 59
5.2 1.HauptsatzderThermodynamik .............................. 60
5.3 SpezielleZustandsänderungen ................................. 61
5.4 Kreisprozesse............................................... 65
5.5 Entropie ................................................... 72
5.6 2.HauptsatzderThermodynamik .............................. 77
5.7 3.HauptsatzderThermodynamik .............................. 80
vii
viii Inhaltsverzeichnis
6 ThermodynamikrealerGaseundFlüssigkeiten ..................... 81
6.1 Van-der-Waals-Gleichung..................................... 81
6.2 Verdampfungswärme......................................... 83
6.3 Schmelzwärme.............................................. 88
7 LösungenzudenAufgaben ....................................... 91
Literaturverzeichnis ................................................ 95
Sachverzeichnis .................................................... 97
Kapitel1
Hydromechanik
DieBeschreibungvonruhendenodersichbewegendenFlüssigkeitenundGasenist
TeilderHydromechanik.
Wir werden einerseits statische Phänomene untersuchen und dabei z.B. den
Druck in Flüssigkeiten kennenlernen, mit dem wir den Auftrieb erklären können.
Weiterhin werden wir die Höhenabhängigkeit des Luftdrucks untersuchen und die
DruckverhältnissebeiFlüssigkeitenundbeiGasenmiteinandervergleichen.
EbensowerdenwirBewegungsphänomenevonFlüssigkeitenundGasenthema-
tisieren.Dabeiwerdenwirz.B.dendynamischenAuftriebalsUrsachefürFliegen
mitFlügelnkennenlernen.
1.1 Druck
DiephysikalischeGrößeDruck pistdefiniertdurchdieKraftF,dieaufeineFläche
Awirkt:
F
p = (1.1)
A
DruckwirdindenEinheitenPascalgemessen:1Pa=1N/m2.
M.Erdmann,Experimentalphysik4,Springer-Lehrbuch, 1
DOI10.1007/978-3-642-13998-7_1,(cid:2)C Springer-VerlagBerlinHeidelberg2011
2 1 Hydromechanik
Beispiel:Wassersäule
Wir wählen ein Koordinatensystem, dessen Ursprung auf der Wasserboden-
flächeliegtunddessenpositivez-Achsenachobenzeigt.
DieGewichtskrafteinerWassersäule,diederErdbeschleunigunggunterliegt,
entsprichtdemIntegralüberalleMassenelementedm desWassers:
(cid:2)
F = gdm. (1.2)
Wir verwenden die Dichte ρ = dm/dV des Wassers und berechnen den
Druck,dendieWassersäuleaufdieBodenflächeausübt:
F
p = (1.3)
(cid:3)A
gρdV
= (cid:3) (1.4)
dA
(cid:3)(cid:3)
ρ gdAdz
= (cid:3) (1.5)
dA
(cid:2)
h
= ρ gdz (1.6)
0
DadieKompressibilitätvonWassergeringist,istseineDichteinnerhalbder
Wassersäule näherungsweise konstant: ρ(h) ≈ const. In der Nähe der Erd-
oberflächeistg ≈const.MitdiesenNäherungenvereinfachtsichdieIntegra-
tionundwirerhaltenfürdenDruckderWassersäuleaufdenBoden:
(cid:2)
h
p =ρ g dz (1.7)
0
p =ρgh (1.8)