29.10.2008 - Physik (Uni Würzburg)

Physik für Mediziner
im 1. Fachsemester
#9
29/10/2008
Vladimir Dyakonov
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Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Brownsche Molekularbewegung
Der englische Botaniker Robert Brown (1773 - 1858)
entdeckt 1827, dass sich Pollenkörner unter dem
Mikroskop in ruhigem Wasser (Suspension) bewegen.
•
•
kleine Körner bewegen sich mehr als große
Bewegung nimmt mit höherer Temperatur zu
Theoretische Erklärung der Brownschen
Molekularbewegung durch Albert Einstein (1905).
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Diffusion
Auf Grund der Geschwindigkeitsverteilung durchmischen sich
verschiedenartige Substanzen.
Sie diffundieren ineinander, wodurch z.B. Dichteunterschiede
ausgeglichen werden.
NA
NB
Die anfänglich vorhandene scharfe Trennungslinie
verwischt sich mit der Zeit
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Temperatur und Bewegung
Temperatur T ist nur ein anderes Maß für die mittlere kinetische
Energie der Moleküle im betreffenden Körper !!!
Definition der Temperatur :
E kin
1 2 3
= mv = kT
2
2
m = Masse der Moleküle
v2 = quadratisch gemittelte Geschwindigkeit der Moleküle
k = Boltzmannkonstante; k = 1.381·10-23 J/K
T = Temperatur in K (Kelvin)
!
Aus Definitionsgleichung folgt:
Existenz eines absoluten Nullpunkts
der Temperatur, d.h. Ekin und T sind Null
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Wärme und Molekularbewegung
1. Thermische Bewegung einzelner (Gas-)Moleküle ist völlig zufällig
und unabhängig, ohne dass eine makroskopische
Gesamtbewegung entsteht
2. Wärmeenergie ist kinetische Energie Ekin dieser ungeordneten
Molekülbewegung, d.h. Wärme ist eine Form mechanischer Energie
(kinetische Gastheorie)
3. Mittlere Energie ist für alle Teilchen gleich, unabhängig von ihrer
Masse (M langsam, m schnell)
4. Temperatur ist ein lineares Maß für den Mittelwert dieser Energie
Messgröße: Temperatur
(Begriff der Temperatur aus dem Wärmeempfinden)
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Thermische Expansion
Die meisten Substanzen dehnen sich bei Erwärmung
aus. Die Ausdehnung wird durch den thermischen
Expansionskoeffizienten α beschrieben.
"L = #L0"T
T0
!
T0 +ΔL
L0
L0 +ΔL
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Thermische Expansion
"L = #L0"T
!
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Bimetall
Thermoschalter:
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI
Thermisches Gleichgewicht
•
Soll die Temperatur geändert werden, so muss dem
System Wärme (kinetische Energie) zugeführt oder
entzogen werden.
•
Die dabei benötigte Wärmemenge ΔQ hängt von der
Masse m, der stofflichen Zusammensetzung und von der
Temperaturänderung ΔT ab.
•
Bringt man zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur
in Kontakt, so nehmen sie nach einiger Zeit die gleiche
Temperatur an. Der anfangs wärmere Körper kühlt sich ab
und der anfangs kältere Körper wärmt sich auf. Beide
Körper sind dann im thermischen Gleichgewicht.
Professor Dr. Vladimir Dyakonov, Experimentelle Physik VI