Aufbau der Materie und Wärmelehre

Aufbau der Materie und innere Energie

Aggregatszustände > Beschreibung mit Hilfe des Teilchenmodelles Fest Die Teilchen liegen eng und mit gleichen Abstand zueinander an einem festen Platz Flüssig Die Teilchen liegen dicht beinander, sind aber gegeneinander verschiebbar > keinen festen Platz Gasförmig Der Abstand zwischen den Teilchen ist groß und sie haben keinen festen Platz Dabei gilt: Die Teilchen eines Stoffes besitzen potenzielle bzw. kinetische Energie. Die insgesamt in einem Körper enthaltene Energie wird innere Energie genannt. Temperatur Sie wird mit einem Thermometer in Grad Celsius (1°C) gemessen und hat dann das Symbol $\theta$ Für feste, flüssige oder auch gasförmige Körper gilt: Je niedriger die Temperatur eines Körpers ist, desto langsamer bewegen sich im Mittel die Teilchen aus denen er besteht Die Temperatur, bei der die kinetische Energie der Teilchen gleich Null ist, nennt man absoluter Temperaturnullpunkt, er liegt bei 0 Kelvin, was -273,15°C entspricht.

Hubarbeit

Hubarbeit führt zu einer Vergrößerung der Höhenenergie. Die Formel hierzu ist :

W_Hubarbeit=F_G*h=m*g*h

m=Masse des Körpers g=Fallbeschleunigung h=Höhe über den Nullniveau F_G=Gewichtskraft des Körpers

Änderung der inneren Energie

Wärme: Symbol: Q Einheit: 1J=1(kg*m²)/s² Grundgleichung der Wärmelehre bei Erwärmen oder Abkühlen von Körpern ohne Aggregatszustandsänderung: Q=c*m*Δ$\vartheta$ 1.Hauptsatz der Wärmlehre: In einem abgeschlossenen System ist die Änderung der inneren Energie verbunden mit der Zufuhr oder Abgabe von Wärme und dem Verrichten mechanischer Arbeit. ΔEi=W+Q ΔEi:Änderung der inneren Energie W:Verrichten mechanischer Arbeit Q:Abgabe/Zufuhr von Wärme

Energieentwertung

Reversible und irreversible Vorgänge Ein Vorgang in Natur und/oder Technik kann reversibel oder irreversibel verlaufen. Das bedeutet: reversible Vorgänge ein reversibler Vorgang ist umkehrbar. D.h. der Ausgangszustand wird von allein wieder erreicht Beispiel: Bewegung der Erde um die Sonne, Fadenpendel (bei kurzer Dauer) irreversible Vorgänge ein irreversibler Vorgang ist NICHT umkehrbar, d.h. der Ausgangszustand kann NICHT von alleine wieder erreicht werden. Beispiel: Verbrennen eines Stoffes Wirkungsgrad bei irreversiblen Vorgängen Bei allen irreversiblen Vorgängen wird Energie in Form von Wärme entwertet. Der Wirkungsgrad bei allen Vorgängen, bei denen auch die Innere Energie eine Rolle spielt, ist folglich immer kleiner als 100%, da Innere Energie nie vollständig in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Also tritt immer eine Energieentwertung auf. Beispiel: Ein laufender Motor erhitzt sich. Die Wärmeenergie wird durch die Verbrennung des Treibstoffs erzeugt, allerdings kann sie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Der Energieerhaltungssatz gilt trotzdem. Hier findest du Aufgaben dazu: leifiphysik Volumenänderung bei Temperaturänderung Volumenänderung von Flüssigkeiten (Daniel H.,Patrik H.,Sebastian B.,) Flüssigkeiten (außer Wasser) dehnen sich bei konstanter Temperaturerhöhung linear aus. Volumenausdehnung = Ausgangsvolumen * Volumenausdehnungskoeffizient * Temperaturdifferenz Volumenausdehnungskoeffizienten Beispiele (γ in l/°C bei 20 °C ): Benzin: 0,0010 Wasser: 0,00021 Quecksilber: 0,00018 Petroleum: 0,0009 Heizöl: 0,0009 Alkohol: 0,0011 Beispiel: Berechne die Volumenänderung von 76 Liter Benzin wenn sie sich von 10°C auf 20°C erwärmen Gegeben: V0=76 l; γ = 0,0010 l/°C; Δδ = 10°C Gesucht: Δ V Lösung: ΔV = V0*γ*Δδ = 76 l * 0,0010 l/°C * 10°C = 0,76 l Anomalie des Wassers Dichte: Wasser hat unter Normaldruck seine größte Dichte bei ca. 4°C und zeigt damit eine Dichteanomalie. Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von ca. 4°C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt. Dies führt dazu, dass Eisberge schwimmen. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen und die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum. Festes Wasser hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, es schwimmt (=anomales Verhalten). Es gilt: -je größer die Temperatur des Wassers, desto kleiner die Dichte -je kleiner die Temperatur des Wassers, desto größer die Dichte Außer: Ab 4°C wird das Volumen nicht kleiner sondern bis 0°C wieder größer. Wasser hat bei 4°C die größte Dichte. Längenänderung von Festkörpern (von Albin Zehe, Dominik Heusinger, Stefanie Brix) Alle Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus, jedoch nicht alle gleichmäßig (linear). Dafür ist der jeweilige Längenausdehnungskoeffizient verantwortlich. Dieser ist bei jedem Stoff anders. Es kann berechnet werden, um wie viel cm sich ein Stoff ausdehnt und zwar mit dieser Formel: Δl = α * lo * Δδ oder: Volumenänderung = Volumenausdehnungskoeffizient * Ausgangslänge * Temperaturänderung Einige Beispiele für den Längenausdehnungskoeffizient: Stoffe α = 1/°C Stoffe α = 1/°C Elemente .............. .............. Andere Aluminium 0,000 024 Beton 0,000 012 Messing 0,000 018 Glas 0,000 008 Silber 0,000 020 Granit 0,000 003 Gold 0,000 014 Kochsalz 0,000 040 Zinn 0,000 027 Polyester 0,000 080 Zink 0,000 036 PVC (biegsam) 0,000 240 Kupfer 0,000 016 Porzellan 0,000 003 Blei 0,000 029 Titan 0,000 010 Eisen 0,000 012 Silizium 0,000 002 Beispiel: Man erwärmt ein Eisenrohr der Länge 1 Meter um 20°C. Gegeben: α = 0,000.012 1/°C; lo = 1m; Δδ = 20°C Gesucht: Δl Lösung: Δl = α * lo * Δδ = 0,000.012 1/°C * 1m * 20°C = 0,00024 m Das Rohr wird dadurch also 0,00024 m länger, das sind 0,24 mm. Volumenänderung von Gasen Alle Gase dehnen sich unter Wärmezufuhr ungefähr gleich aus, wenn der Druck konstant ist. Die Ausdehnung hängt vom Anfangsvolumen und der Temperaturänderung ab.