Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Wintersemester 2014/15
Physik I Mechanik der Kontinua und Wärmelehre
Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Wintersemester 2014/15
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ORGANISATORISCHES
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Thomas Schörner-Sadenius: Wissenschaftler (Teilchenphysik) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) Kontakt: [email protected]
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!
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INHALTE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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)
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1. MECHANIK DER KONTINUA
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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1. FEST – FLÜSSIG – GASFÖRMIG
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bilder: Demtröder
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1. FEST – FLÜSSIG – GASFÖRMIG
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bilder: Demtröder
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1. DICHTE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Tippler
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1.1 FESTKÖRPER – ZUG, SPANNNUNG, SCHERUNG
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Bild: Giancoli
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1.1 BEISPIELE I
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Bilder: Demtröder
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1.1 BEISPIELE I (fortgesetzt)
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Bilder: Demtröder
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1.1 BEISPIELE II
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Bild: Giancoli
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1.1 BEISPIELE III
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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1.2 FLÜSSIGKEITEN
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1.2 HYDRAULISCHE PRESSE
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Bild: Giancoli
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1.2 HYDROSTATISCHER SCHWEREDRUCK
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1.2 KOMMUNIZIERENDE RÖHREN
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Bild: Wikipedia
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1.2 AUFTRIEB
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Giancoli
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1.2 ARCHIMEDES UND KONSORTEN
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Giancoli
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1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN I
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Giancoli
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1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIa
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Giancoli
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1.2 STRÖMENDE FLÜSSIGKEITEN IIb
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Giancoli
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1.2 ANMERKUNGEN UND VERSUCHE
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Bilder: Giancoli
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1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG I
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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)
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1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG II
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1.2 STRÖMUNGEN UND REIBUNG III
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Bilder: Prof. Merkt, Demtröder
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1.3 GASE
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Bild: Prof. Merkt
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1.3 GESETZE VON BOYLE-MARIOTTE / GAY-LUSSAC
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1.3 LUFTDRUCK
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1.3 BAROMETRISCHE HÖHENFORMEL
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Bild: Wikipedia
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2 WÄRMELEHRE
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2.1 TEMPERATUR
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2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG I
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2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG II
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Wikipedia
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2.2 THERMISCHE AUSDEHNUNG III
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Wikipedia
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EINSCHUB: HOMOSPHÄRE UND HETEROSPHÄRE
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Bild: Wikipedia
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2.3 IDEALES GAS
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Bild: Prof. Oepen
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2.3 MOL, MOLVOLUMEN
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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).
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2.3 IDEALE GASKONSTANTE
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Bild: Tippler
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2.4 KINETISCHE GASTHEORIE
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2.4 KINETISCHE GASTHEORIE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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2.4 VERTEILUNGEN …
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2.4 MAXWELL’SCHE VERTEILUNG 1
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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2.4 MAXWELL’SCHE VERTEILUNG 2
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2.4 MAXWELL’SCHE VERTEILUNG 3
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bilder: Giancoli, Wikipedia
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2.4 MAXWELL’SCHE VERTEILUNG 4
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Bilder: http://www.m-heinitz.de, http://www.leifiphysik.de
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2.5 AUF ZUM 1. HAUPTSATZ…
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2.5 ENERGIEFORMEN: W,U,Q
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2.5 ERSTER HAUPTSATZ DER WÄRMELEHRE
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2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität)
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: physik.uni-wuerzburg.de
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2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität)
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2.6 SPEZIFISCHE WÄRME(Kapazität)
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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2.6 ISENTROPEN- / ADIABATENKOEFFIZIENT κ
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2.6 ZUSTANDSÄNDERUNGEN
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2.6 ISOTHERME ZUSTANDSÄNDERUNGEN
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2.6 ADIABATISCHE ZUSTANDSÄNDERUNGEN
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2.6 BESTIMMUNG VON κ: CLEMENT-DESORMES
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Bild: Uni Heidelberg
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2.6 BESTIMMUNG VON κ: RÜCHARDT
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
Bild: Uni Heidelberg
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2.6 ZUSAMMENFASSUNG: ZUSTANDSÄNDERUNGEN
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2.7 KREISPROZESSE
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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.
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2.7 CARNOT-PROZESS
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2.7 CARNOT-PROZESS 2
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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2.7 CARNOT-PROZESS 3
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
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2.7 WIRKUNGSGRAD
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2.7 STIRLING-MOTOR (1)
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2.7 STIRLING-MOTOR (2)
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2.7 OTTO-MOTOR
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Bild: Spektrum.de
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2.7 DAMPFMASCHINE (UND TURBINE)
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Bilder: Wikipedia, Giancoli
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2.7 ABSCHLUSS: WÄRMEKRAFTMASCHINEN
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2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE
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2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (2)
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2.7 WÄRMEPUMPE UND KÄLTEMASCHINE (3)
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2.8 ENTROPIE UND 2. HAUPTSATZ
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“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
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2.8 REDUZIERTE WÄRME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 74
2.8 ??????
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 75
2.8 ??????
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 76
2.8 ZUSTANDSGRÖSSE ENTROPIE S
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 77
2.8 ENTROPIE UND IRREVERSIBLE PROZESSE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 78
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
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2.8 BEISPIEL 2 ZUR ENTROPIE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 80
2.8 BEISPIEL 3 ZUR ENTROPIE (ZU CLAUSIUS)
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 81
2.8 STATISTISCHE DEFINITION DER ENTROPIE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 82
Bild: http://www.nb-braun.de
2.8 ZAHLENBEISPIELE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 83
2.8 ZUSAMMENHANG STATISTIK - TD
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 84
2.9 REALE GASE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 85
2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 1
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 86
Bild: Giancoli
2.9 KOVOLUMEN UND BINNENDRUCK 2
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 87
2.9 PHASEN UND PHASENDIAGRAMME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 88
Bild: Giancoli
2.9 PHASENDIAGRAMME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 89
Bild: Wikipedia
2.9 DAMPFDRUCK
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 90
Bilder: Wikipedia
2.9 PHASENDIAGRAMME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 91
Bild: Giancoli
2.9 PHASENDIAGRAMME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 92
2.9 PHASENDIAGRAMME
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 93
Bild: LMU München
2.9 VERSUCHE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 94
2.9 LUFTFEUCHTIGKEIT
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 95
2.10 NACHTRÄGE 1 – BROWNSCHE MOLEKULARBEWEGUNG
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 96
2.10 NACHTRÄGE 2 – DIFFUSION UND TRANSPORTPROZESSE
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15 97
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NICHT BEHANDELT
Schörner-Sadenius UHH / Physik I / WS2014/15
- Grenzflächen - Oberflächenspannung und Kapillarität