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Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre

Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Wintersemester 2014/15

ORGANISATORISCHES

Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15

Thomas Schörner-Sadenius: Wissenschaftler (Teilchenphysik) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) Kontakt: thomas.schoerner@desy.de

Telefon 8998 3429 DESY, Notkestr. 85, Gebäude 1, Zimmer O2/337

Skript und Bücher:

- Vorlesungstemplate typisch zwei Tage vor Vorlesung auf dem Netz - Bücher: Demtröder, Tippler, Giancoli, …

- Wichtig, in mehr als einem Buch nebenher zu lesen!

INHALTE

1. Mechanik der Kontinua •  1.1 Festkörper (deformierbare Körper) •  1.2 Flüssigkeiten (inkompressibel, hydrostatischer Druck) •  1.3 Gase (Druck, Kompressibilität, barometrische Höhenformel)

2. Wärmelehre •  2.1 Temperatur •  2.2 thermische Ausdehnung •  2.3 ideales Gas •  2.4 kinetische Gastheorie •  2.5 1. Hauptsatz der Wärmelehre •  2.6 spezifische Wärmen und Zustandsänderungen •  2.7 Kreisprozesse •  2.8 Entropie und 2. Hauptsatz der Wärmelehre •  2.9 reale Gase •  (2.10 Phasen und Phasenübergänge)

1. MECHANIK DER KONTINUA

1. FEST – FLÜSSIG – GASFÖRMIG

Bilder: Demtröder

1. FEST – FLÜSSIG – GASFÖRMIG

Bilder: Demtröder

1. DICHTE

Bild: Tippler

1.1 FESTKÖRPER – ZUG, SPANNNUNG, SCHERUNG

Bild: Giancoli

1.1 BEISPIELE I

Bilder: Demtröder

1.1 BEISPIELE I (fortgesetzt)

Bilder: Demtröder

1.1 BEISPIELE II

Bild: Giancoli

1.1 BEISPIELE III

1.2 FLÜSSIGKEITEN

1.2 HYDRAULISCHE PRESSE

Bild: Giancoli

1.2 HYDROSTATISCHER SCHWEREDRUCK

1.2 KOMMUNIZIERENDE RÖHREN

Bild: Wikipedia

1.2 AUFTRIEB

Bild: Giancoli

1.2 ARCHIMEDES UND KONSORTEN

Bild: Giancoli

1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN I

Bild: Giancoli

1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIa

Bild: Giancoli

1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIb

Bild: Giancoli

1.2 ANMERKUNGEN UND VERSUCHE

Bilder: Giancoli

1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG I

Hintergrund von Bernoulli: Newtonsche Bewegungsgleichung eines Volumenelements ΔV Laminare Strömung: große Reibungskräfte; Stromlinien liegen nebeneinander Turbulente Strömung entsteht durch Reibung zwischen Fluid und Wand / Hinderniss

è Ausbildung von Wirbeln. Charakteristisch: Reynolds-Zahl: Beispiele: Mensch / Mikrobe in Wasser (ρ(H2O)=1 gcm-3; η(H2O,20oC)=0.001 N�s�m-2)

1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG II

1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG III

Bilder: Prof. Merkt, Demtröder

1.3 GASE

Bild: Prof. Merkt

1.3 GESETZE VON BOYLE-MARIOTTE / GAY-LUSSAC

1.3 LUFTDRUCK

1.3 BAROMETRISCHE HÖHENFORMEL

Bild: Wikipedia

2 WÄRMELEHRE

2.1 TEMPERATUR

2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG I

2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG II

Bild: Wikipedia

2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG III

Bild: Wikipedia

EINSCHUB: HOMOSPHÄRE UND HETEROSPHÄRE

Bild: Wikipedia

2.3 IDEALES GAS

Bild: Prof. Oepen

2.3 MOL, MOLVOLUMEN

Ein Mol = Menge eines Stoffes (Anzahl Teilchen!), deren Masse in Gramm gleich der Atommasse / Molekülmasse des Stoffs in atomaren Masseneinheiten u ist (1u = 1,66 * 10-27 kg).

2.3 IDEALE GASKONSTANTE

Bild: Tippler

2.4 KINETISCHE GASTHEORIE

2.4 VERTEILUNGEN …

2.4 MAXWELL’SCHE VERTEILUNG 1

Bilder: Giancoli, Wikipedia

Bilder: http://www.m-heinitz.de, http://www.leifiphysik.de

2.5 AUF ZUM 1. HAUPTSATZ…

2.5 ENERGIEFORMEN: W,U,Q

2.5 ERSTER HAUPTSATZ DER WÄRMELEHRE

2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität)

Bild: physik.uni-wuerzburg.de

2.6 ISENTROPEN- / ADIABATENKOEFFIZIENT κ

2.6 ZUSTANDSÄNDERUNGEN

2.6 ISOTHERME ZUSTANDSÄNDERUNGEN

2.6 ADIABATISCHE ZUSTANDSÄNDERUNGEN

2.6 BESTIMMUNG VON κ: CLEMENT-DESORMES

Bild: Uni Heidelberg

2.6 BESTIMMUNG VON κ: RÜCHARDT

Bild: Uni Heidelberg

2.6 ZUSAMMENFASSUNG: ZUSTANDSÄNDERUNGEN

2.7 KREISPROZESSE

Kreisprozess: Folge von Zustandsänderungen eines Fluids, die periodisch abläuft, wobei immer wieder der Ausgangszustand erreicht wird. (Oft Maschinen, die Wärme in mech. Energie umwandeln, und v.v.)

Reversibler Prozess: eine TD Zustandsänderung von Körpern, die jederzeit wieder umgekehrt ablaufen könnte, ohne dass die Körper oder deren Umgebung dabei bleibende Veränderungen erfahren.

2.7 CARNOT-PROZESS

2.7 CARNOT-PROZESS 2

2.7 CARNOT-PROZESS 3

2.7 WIRKUNGSGRAD

2.7 STIRLING-MOTOR (1)

2.7 STIRLING-MOTOR (2)

2.7 OTTO-MOTOR

Bild: Spektrum.de

2.7 DAMPFMASCHINE (UND TURBINE)

Bilder: Wikipedia, Giancoli

2.7 ABSCHLUSS: WÄRMEKRAFTMASCHINEN

2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE

2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (2)

2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (3)

2.8 ENTROPIE UND 2. HAUPTSATZ

Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 72

“Wärme fliesst von allein nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper, nie umgekehrt.”

“Es gibt keine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die zwischen Reservoirs mit Temperaturen T1 und T2 (T1>T2) arbeitet und einen

Wirkungsgrad größer als η=1-T1/T2 (Carnot-Maschine) hat.”

“Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die nichts anderes bewirkt als Erzeugung mechanischer Arbeit und Abkühlung eines Wärmereservoirs.”

“Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobiles 2. Art!”

2.8 BEWEIS

2.8 REDUZIERTE WÄRME

2.8 ??????

2.8 ZUSTANDSGRÖSSE ENTROPIE S

2.8 ENTROPIE UND IRREVERSIBLE PROZESSE

2. Hauptsatz nach Clausius: In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie bei einem irreversiblen Prozess stets zu. Von selbst verlaufen nur Prozesse, bei denen die Entropie wächst!

2.8 BEISPIEL 1 ZUR ENTROPIE

2.8 BEISPIEL 2 ZUR ENTROPIE

2.8 BEISPIEL 3 ZUR ENTROPIE (ZU CLAUSIUS)

2.8 STATISTISCHE DEFINITION DER ENTROPIE

Bild: http://www.nb-braun.de

2.8 ZAHLENBEISPIELE

2.8 ZUSAMMENHANG STATISTIK - TD

2.9 REALE GASE

2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 1

Bild: Giancoli

2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 2

2.9 PHASEN UND PHASENDIAGRAMME

Bild: Giancoli

2.9 PHASENDIAGRAMME

Bild: Wikipedia

2.9 DAMPFDRUCK

Bilder: Wikipedia

2.9 PHASENDIAGRAMME

Bild: Giancoli

2.9 PHASENDIAGRAMME

Bild: LMU München

2.9 VERSUCHE

2.9 LUFTFEUCHTIGKEIT

2.10 NACHTRÄGE 1 – BROWNSCHE MOLEKULARBEWEGUNG

2.10 NACHTRÄGE 2 – DIFFUSION UND TRANSPORTPROZESSE

NICHT BEHANDELT

-  Grenzflächen -  Oberflächenspannung und Kapillarität

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