E2: Wärmelehre und Elektromagnetismus 2. … · Klausur (Elektromagnetismus): 19.7.2018,...

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


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


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


•  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


https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

Thermische Ausdehnung: Längenausdehnung

12.04.2018

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

Prof. Dr. Jan Lipfert 7

Thermische Ausdehnung: Volumenausdehnung

12.04.2018

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


Vorsicht: allgemein β(T)! Siehe insbesondere: Anomalität des Wasser (größte Dichte bei 4 ºC)

PINGO: Flächenausdehnung


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


Betrachte ein Material mit isotroper Temperaturausdehnung

Kräfte bei der Temperaturausdehnung

12.04.2018

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

12.04.2018

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


Fahrenheit Temperaturskala

12.04.2018

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


Ideales Gas


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


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)

Robert Boyle in Oxford


PINGO: Ideales Gas


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


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


Der Druck eines idealen Gases erklärt sich durch Stöße der Gasteilchen mit der Wand des Behälters.

x

y

z

Kinetische Gastheorie


Mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens

hEkini =1

2mhv2i = 3

2kBT

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