E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 2. Vorlesung – 12.04.2018
Prof. Dr. Jan Lipfert [email protected]
12.04.2018 Prof. Dr. Jan Lipfert 1
https://xkcd.com/1606/
Heute: - Längen- und
Volumenausdehnung - Temperaturskalen:
Celsius, Fahrenheit, Kelvin - Ideales Gas - Kinetische Gastheorie
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Münchener Physik Kolloquium SS2018
• Abwechselnd im Physik-Department der TUM in Garching und in der Physik Fakultät der LMU in der Schellingstr. 4, Hörsaal H030
• Nächster Termin: 16.04.2018 (nächsten Montag) Dr. Devin Edwards (JILA and University of Colorado, Boulder, USA) „Probing the unfolding/refolding dynamics of individual proteins with AFM by leveraging enhanced spatio-temporal resolution”
• Aktuelles Programm: https://www.physik.uni-muenchen.de/aus_der_fakultaet/kolloquien/physik_kolloquium/index.html
Münchner Physikkolloquium immer montags 17:15h
Aktualisierte Informationen zum Ablauf
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Zum Bestehen müssen Sie entweder die ersten beiden Klausuren bestehen (dann ist Ihre Endnote der Mittelwert der beiden Klausurergebnisse) oder die Nachklausur bestehen (die Endnote ist dann die Note der Nachklausur oder der Mittelwert aus den besten zwei von drei Klausuren, je nachdem was für Sie besser ist).
Klausuren 1. Klausur (Wärmelehre): 17.5.2018, 8:30-10:00 Uhr 2. Klausur (Elektromagnetismus): 19.7.2018, 16:00-17:30 Uhr Nachklausur (Wärmelehre und Elektromagnetismus): 28.9.2018
Übungsblätter
• Das aktuelle, 1. Blatt muss nicht abgegeben werden. • Abgabe der Übungsblätter ab Blatt 2 erfolgt am Montag in der
Vorlesung. • Die neue Übungsblätter werden jeweils Montags online gestellt.
Wiederholung: Thermodynamik und statistische Physik
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• Thermodynamik betrachtet Stoffe als Kontinuum und beschreibt sie mit makroskopischen Zustandsgrößen: Druck p, Volumen V, Temperatur T.
• Statistische Mechanik geht von einer mikroskopischen Betrachtung der Teilchen aus und beschreibt sie mit statistischen Methoden.
• Wärme ist ungeordenete Molekülbewegung. Wärmeenergie ist kinetische Energie dieser Bewegung. Temperatur ist ein lineares Maß für den Mittelwert der kinetischen Energie der ungeordneten Molekülbewegung.
• 0. Hauptsatz der Thermodynamik: Befinden sich zwei Körper im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten, so stehen sie auch untereinander in thermischen Gleichgewicht. Sie haben in diesem Fall die gleiche Temperatur. https://de.wikipedia.org/wiki/
Datei:Nullter_Hauptsatz_der_Thermodynamik.svg
https://en.wikipedia.org/wiki/James_Watt
http://www.britannica.com/science/perfect-gas-law
Temperaturskalen
109 K
106 K
103 K
1 K 10−3 K 10−6 K 10−9 K
https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate
https://zombiewoodproductions.files.wordpress.com/2013/11/helium-3-mine.jpg
Organisches Leben
Mikroben im Eis
−4°C 130°C
Menschliche Körpertemperatur 42°C 33°C
„Stamm 121“
Bose-Einstein Kondensation
Helium-3 Superflüssig Oberfläche Sonne Kernwaffe
Universum 1s nach Urknall
1012 K
Pulsar
http://www.geocities.ws/rolobter/diplom/astro/
neutronenstern/Pulsar2.jpg
https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Polaromonas_vacuolata
https://en.wikipedia.org/wiki/Universe
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent
https://de.wikipedia.org/wiki/Sonne https://de.wikipedia.org/
wiki/Kernwaffe
Kosmische Hintergrund-
strahlung
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https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background
Thermische Ausdehnung: Längenausdehnung
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Längenausdehnung: Rohre mit Wasserdampf („Dilatometer“) Video: https://goo.gl/4173Ut Material α (10-6 / ºC)
Eis (0 ºC) 51
Aluminium 23
Kupfer 17
Stahl 11
Diamant 1,2
Invar 0,7
Längenausdehnung: Bimetallschalter & Bimetalspirale; Video: https://goo.gl/NfS85v https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Bimetallstreifen.svg
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Thermische Ausdehnung: Volumenausdehnung
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Flüssigkeitsthermometer (Wasser und Ethanol); Video: https://goo.gl/duQGRh
Material β (10-3 / ºC)
Aceton 1,46
Ethanol 1,40
Mineralöl 0,7
Quecksilber 0,18
Wasser (bei 0ºC) -0,068
Wasser (bei 100ºC) 0,782
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Vorsicht: allgemein β(T)! Siehe insbesondere: Anomalität des Wasser (größte Dichte bei 4 ºC)
PINGO: Flächenausdehnung
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Die Abbildung unten zeigt vier Metalplatten, die alle aus demselben Material bestehen und deren Temperaturen um den demselben Betrag zunehmen. Ordnen Sie die Platten nach dem zu erwartenden Zuwachs in ihren Flächen (größte zuerst)!
Abstimmen unter pingo.upb.de, #343968 A) 1 > 2 > 3 > 4 B) 3 > 2 > 1 > 4 C) 3 > 2 > 1 = 4 D) Alle gleich.
1 2 3 4
Zusammenhang zwischen Längen- und Volumenausdehnung
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Betrachte ein Material mit isotroper Temperaturausdehnung
Kräfte bei der Temperaturausdehnung
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Bolzensprenger; Video: https://goo.gl/4Td6fm Prof. Dr. Jan Lipfert 11
Elastizitätsmodul oder Youngscher Modul für Festkörper:
https://de.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young_(Physiker)
Thomas Young (1773-1829)
Celsius Temperaturskala
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Zum Festlegen einer Temperaturskala benötigt man zwei Temperatur-Referenzpunkte und eine Einteilung in Untereinheiten zwischen den Referenzpunkten
Celsius nutzte kochendes Wasser und Eiswasser als Referenzpunkte für die Temperatur
Anders Celsius (1701-1744)
https://en.wikipedia.org/wiki/Anders_Celsius
Carl von Linné (1707-1778)
https://de.wikipedia.org/wiki/Carl_von_Linné
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Fahrenheit Temperaturskala
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Fahrenheit nutzte als Referenzpunkte: • Salzlake-Eis-Wasser Mischung = 0 ºF • Eiswasser = 32 ºF • Körpertemperatur eines gesunden Menschens = 96 ºF
Daniel Fahrenheit (1686–1736)
https://en.wikipedia.org/wiki/Daniel_Gabriel_Fahrenheit
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Ideales Gas
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Ein ideales Gas besteht aus Atomen oder Molekülen, die als punktförmige Teilchen mit Masse genähert werden, die sich kräftefrei in einem Volumen V bei einem Druck p und einer Temperatur T aufhalten und nur durch Stöße miteinander wechselwirken.
Zustandsgleichung des idealen Gases:
pV = NkBT N = Anzahl der Teilchen
kB = Boltzmann Konstante = 1,381·∙10−23 J/K
Konsequenzen aus dem idealen Gasgesetz
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Das Gasgesetz wurde aus unterschiedlichen Beobachtungen entwickelt.
https://de.wikipedia.org/wiki/Philipp_von_Jolly
Philipp von Jolly (1809-1884)
Gasthermometer Video: https://goo.gl/YzzLPp
Boyle-Mariotte Boyle 1662; Mariotte 1676
https://en.wikipedia.org/wiki/Edme_Mariotte
Edme Mariotte (1620-1684)
https://de.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle
Robert Boyle (1627-1691)
https://de.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Amontons
Guillaume Amontons
(1663-1705)
Amontons, 1700 Gay-Lussac, 1808
https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Louis_Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778-1850)
Charles, 1780s
https://en.wikipedia.org/wiki/Jacques_Charles
Jacques Charles (1746-1823)
PINGO: Ideales Gas
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Abstimmen unter pingo.upb.de, #343968 A) 0 B) (10−6)N
C) (1 − 10−6)N D) 1 − (10−6)N E) 1
N Heliumatome (im Gaszustand) sind in einem Volumen von 1 m3 eingeschlossen. Bestimmen Sie die Wahrscheinlichkeit, dass in einem 10−6 m3 großen Würfel in der linksunteren Ecke des Volumens kein einziges der N Heliumatome zu finden ist.
Der absolute Nullpunkt und die Kelvinskala
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Kolben nach Amontons: Extrapolation zum absoluten Nullpunkt
Nach Amontons ist p / T für V = const. (Dies wird z.T. auch als Gesetz von Gay-Lussac bezeichnet )
Guillaume Amontons (1663 - 1705)
https://en.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Amontons
William Thomson, 1st Baron Kelvin
(1824-1907)
https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin
Absoluter Nullpunkt: -273,15 ºC = 0 K
Kinetische Gastheorie
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Der Druck eines idealen Gases erklärt sich durch Stöße der Gasteilchen mit der Wand des Behälters.
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