Physik für Mediziner

Physik für Mediziner
im 1. Fachsemester
#7
28/10/2008
Vladimir Dyakonov
[email protected]
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Wärmelehre
Teil 1 - Energie, Wärmekapazität
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Def. 1:
Lehre der
Energie, ihrer
Erscheinungsform und
Fähigkeit, Arbeit zu
verrichten
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Def. „Energie“:
1) Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu
verrichten
2) Energie = Exergie + Anergie
Q
Q = cm ·m · ΔT
auf ΔT kommt es an!
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Q(H2O)=1000g x 4,18J/gK x (43K-20K) =96.140 J ~ 100.000J
E = 12V x 2,3A x 3600s = 99.360 Ws ~ 100.000J
Die Energiemenge ist fast gleich
Die Qualität dieser Energie ist sehr unterschiedlich
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Def. 2:
Die Wärmelehre oder Thermodynamik beschreibt
ein System (abgeschlossen oder offen) durch
Zustandsvariablen.
Zustandsvariablen sind makroskopische Größen.
(Eine mikroskopische Betrachtung ist oft zu komplex.)
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Stoffmenge
•
•
•
Die Menge eines Stoffes wird durch die Teilchenzahl
charakterisiert
Die Stoffmenge ν ist eine Basiseinheit im SI-System
Die Einheit der Stoffmenge ist das Mol
Eine Substanz hat die Stoffmenge ν = 1 Mol, wenn die
Anzahl der darin enthaltenen Teilchen gleich der Anzahl
der Kohlenstoffatome in 12g reinem 12C ist
•
NA = 6.023 *1023 mol-1 Avogadrozahl
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Temperatur, Wärme und Energie
Subjektives Empfinden von Wärme und Kälte
Temperaturskala wird willkürlich festgelegt:
•
2 Fixpunkte
•
lineare Skala zwischen den Fixpunkten
Celsius-Skala: Bei „Normaldruck“, d.h. Luftdruck:
1013.25 hPa (=760 mmHg)
(i) Fixpunkte: 1. Eis-Wasser Gemisch („Eiswasser“): 0º C
2. Siedendes Wasser:
100º C
(ii) Zwischen den Fixpunkten wird die Temperaturskala in 100
gleiche Teile zerlegt, und zu kleineren (negativen) und größeren
Temperaturen hin linear extrapoliert
(nach Celsius, schwedischer Mathematiker , 1742)
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Temperatur, Wärme und Energie
Kelvin-Skala:
Beginn der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt (0 K).
Der Fixpunkt ist der Tripelpunkt des Wassers (273.16 K oder 0.01 K
höher als der Schmelzpunkt von Eis bei Normaldruck)
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Phasendiagramm - Wasser
In der Thermodynamik ist der Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) der Punkt, beschrieben
durch Druck und Temperatur, an dem drei Phasen eines Systems mit genau einer
Komponente im Gleichgewicht sind.
Der Tripelpunkt des Wassers nach dem international akzeptierten Bestwert von
Guildner, Johnson & Jones 1976 liegt bei 611,657 ± 0,010 Pa und 273,16 K (0,01 °C).
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Kelvin-Skala
Die Temperatureinheit Kelvin wurde 1954 auf
Beschluss der 10. Generalkonferenz für Maß und
Gewicht durch:
1 K:= Ttr /273,16
definiert (Ttr die Temperatur des Trippelpunkts von
Wasser)
Die Festlegung von Einheit ist Menschenwerk und
nicht die Folge der Naturgesetzen
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Temperaturskalen
Die Temperatureinheit Kelvin wurde 1954 auf Beschluss der
10. Generalkonferenz für Maß und Gewicht durch:
1 K:= Ttr /273,16
definiert (Ttr die Temperatur des Trippelpunkts von Wasser)
Die Festlegung von Einheit ist Menschenwerk und nicht die
Folge der Naturgesetzen
Allerdings: Im täglichen Leben benutzt man eine
Temperatur mit willkürlich festgesetztem Nullpunkt, die
Celsius-Temperatur:
T:= T- T0= T-273,15 K
T0 – Temperatur des Eispunkts
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Phasendiagramm - Wasser
Temperatur des
Eispunkts
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Kelvin-Skala
Amtliche Übersetzung: „Das Kelvin, die Einheit der
thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der
thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des
Wassers.“
Die Kelvin-Skala ist per Definition seit 1968 nicht mehr in
Grad unterteilt. Es heißt deshalb nicht mehr „19 Grad
Kelvin“ (oder „19 °K“) sondern einfach nur „19 Kelvin“ (19
K).
Es wurde nach William Thomson, dem späteren Lord Kelvin
(1824-1907) benannt, der mit 24 Jahren die
thermodynamische Temperaturskala einführte.
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Temperatur, Wärme und Energie
Kelvin-Skala:
Beginn der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt (0 K).
Der Fixpunkt ist der Tripelpunkt des Wassers (273.16 K oder 0.01 K
höher als der Schmelzpunkt von Eis bei Normaldruck)
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Temperatur, Wärme und Energie
• Internationale Basiseinheit der Temperaturdifferenz ist
[ΔT] = 1 K (Kelvin)
• Kelvineinheit hat als absoluten Nullpunkt –273.15 ºC
• Unterteilung beider Skalen ist aber identisch, d.h.
"T = "#
• Umrechnung von einer Skala in die andere über:
T "
=
+ 273,15°C
K °C
!
!
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