Grundlagen der Werkstoffe - an der Universität Duisburg
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IBPM Institut für Universität Bauphysik und Materialwissenschaft D U I S B URG ESSE N Campus Essen IBPM Grundlagen der Werkstoffe IBPM ©2005 Prof. Setzer 1 Universität IBPM Institut für Übersicht D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen Vorlesung Übung IBPM Dienstag 08:30-10:00 S05 T00 B71 Mittwoch 08:30-10:00 S03 V00 E33 Donnerstag 08:30-10:00 R11 T00 D03 Fragen an die Studenten! Antworten der Studenten! a) Fragen korrelieren mit der Prüfung! b) Stellen Bezug zur Basis der Materialkenntnis in der Baupraxis her! Sprechstunde: Mittwoch 11:00-12:00 Online-Sprechstunde im WIBA-Net: V15 S05 D91 Montag 15:00-16:00 Freitag 15:30-16:30 Homepage des Instituts: http://www.uni-essen.de/ibpm/ Dokumente und Animationen unter: Studium/Lehre/Lehrmaterialien IBPM ©2005 Prof. Setzer 2 Universität D U I S B URG ESSE N Termine und Themen der Veranstaltung Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Woche Termine Grobstruktur Dienstag, 12. April 2005 1.Woche Mittwoch, 13. April 2005 Grundgrößen Donnerstag, 14. April 2005 Dienstag, 19. April 2005 2.Woche Mittwoch, 20. April 2005 Aufbau der Materie Donnerstag, 21. April 2005 Dienstag, 26. April 2005 3.Woche Mittwoch, 27. April 2005 Struktur der Materie und Phasenübergänge Donnerstag, 28. April 2005 Dienstag, 3. Mai 2005 4.Woche Mittwoch, 4. Mai 2005 Chemische Reaktionen und Elektrochemie Donnerstag, 5. Mai 2005 Dienstag, 10. Mai 2005 5.Woche Mittwoch, 11. Mai 2005 Zementchemie Donnerstag, 12. Mai 2005 Dienstag, 17. Mai 2005 6.Woche Mittwoch, 18. Mai 2005 Donnerstag, 19. Mai 2005 Klausur Freitag, 20. Mai 2005 IBPM ©2005 Prof. Setzer 3 Universität D U I S B URG ESSE N Prüfung Grundlagen der Werkstoffe Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM • Prüfungstermin für die Klausur Grundlagen der Werkstoffe 20.05.2005 • Dauer der Klausur: • Inhalte der Klausur: • 1h • Grundgrößen • Aufbau der Materie • Struktur der Materie und Phasenübergänge • Chemische Reaktionen und Elektrochemie • Zementchemie Note der Klausur fließt zu 1/3 in die Endnote der Klausur Werkstoffe des Bauwesens 1 ein! IBPM ©2005 Prof. Setzer 4 Universität D U I S B URG ESSE N SI-Einheiten Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM SI-System: Grundgrößen und abgeleitete Einheiten "Für alle Welt, für alle Völker" - dieses Motto wurde zur Zeit der Französischen Revolution geprägt, als in Frankreich die neue Längeneinheit "Meter" entstand. Das neue Maß wurde zur Grundlage des internationalen metrischen, dezimalen Maßsystems. Festlegung von sechs Basiseinheiten bei der 10. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1954: • Länge (Meter) • Masse (Kilogramm) • Zeit (Sekunde) • elektrische Stromstärke (Ampere) • thermodynamische Temperatur (Kelvin) • Lichtstärke (Candela) • Stoffmenge (Mol) erst 1973 als Basiseinheit festgelegt 1960 bekam das neue System seinen Namen: "Système International d'Unités", abgekürzt SI. IBPM ©2005 Prof. Setzer 5 Universität D U I S B URG ESSE N Vielfache und Teile der SI-Einheiten Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Vorsatz Kurzzeichen Bedeutung Tera T 1012 1.000.000.000.000 Giga G 109 1.000.000.000 Mega M 106 1.000.000 Kilo k 103 1.000 Hekto h 102 100 Deka da 101 10 Dezi d 10-1 0,1 Zenti c 10-2 0,01 Milli m 10-3 0,001 Mikro µ 10-6 0,000 01 Nano n 10-9 0,000 000 001 Pico p 10-12 0,000 000 000 001 IBPM ©2005 Prof. Setzer 6 Universität D U I S B URG ESSE N Länge Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM • Festlegung des Metermaßes erfolgte 1791 • 10 millionste Teil des Erdumfangs • Urmeter, wird als Eichmaß in Form eines Platin-Iridium Stabes seit 1889 in Paris aufbewahrt • Seit 1960 als Eichmaß das 1.650.763,73 fache der Vakuumwellenlänge der orangefarbenen Spektrallinie des KryptonIsotops (86Kr) bei 6065 Å (Angström) • 1 Å entspricht 0,00000001 cm. • Formelzeichen [s] • Einheit m TU München, Fakultät Physik IBPM ©2005 Prof. Setzer 7 Universität D U I S B URG ESSE N Masse Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM • einzige SI-Basiseinheit, die auch heute noch durch einen PrototypKörper dargestellt wird • Platin-Iridium- Legierung • die verschiedenen KilogrammPrototype weichen zunehmend voneinander ab • intensive Suche nach einem Weg, nationaler Kilogramm-Prototyp auch die Einheit der Masse auf eine Fundamentalkonstante zurückzuführen • Formelzeichen [m] • Einheit kg IBPM ©2005 Prof. Setzer 8 Universität D U I S B URG ESSE N Zeit Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM • ursprüngliche Festlegung der kleinsten Zeiteinheit erfolgte über die Einteilung eines Sonnentages in 86400 gleich große Teile • Zeiteinheit wird heute mit einem atomaren Vorgang festgelegt wird • Definition der Sekunde über die Schwingungsdauer des Cäsium 133 • 1967 neue Festlegung der Sekunde auf 9.192.631.770 Perioden des Cs-Strahlungsüberganges • Formelzeichen [t] • Einheit s Atomuhr der PTB in Braunschweig IBPM ©2005 Prof. Setzer 9 Universität IBPM Institut für Stoffmenge D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM • Das Mol (mol) ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0.012 Kilogramm des Nuklids 12 C enthalten sind. • Die Zahl der Teilchen in einem Mol ist die Avogadro-Konstante (früher auch Loschmidtsche Zahl genannt). Sie beträgt (6.0221367 ± 0.0000036)·1023 mol-1. • Formelzeichen [n] • Einheit mol S IBPM ©2005 Fe NaCl Prof. Setzer K2Cr2O7 C12H22O11 10 Universität D U I S B URG ESSE N Lichtstärke Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Definition: Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540*1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt. schematische Darstellung IBPM ©2005 Prof. Setzer 11 Universität D U I S B URG ESSE N IBPM Institut für Stromstärke Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM Definition: Das Ampere (A) ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der, durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je 1 Meter Leiterlänge die Kraft 0,2 Mikro- 0,2 µN 0,2 µN Newton hervorrufen würde. 1m • Formelzeichen [I] • Einheit A 1A 1A Anordnung zur Festlegung des Ampere IBPM ©2005 Prof. Setzer 12 Universität D U I S B URG ESSE N IBPM Institut für Temperatur Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen • Tripelpunkt des Wassers und absoluter IBPM +100 °C Siedepunkt des Wassers 373,15 K Gefrierpunkt des Wassers 273,15 K Nullpunkt definieren die thermodynamische Temperaturskala • Das Kelvin (K) ist der 273,16 te Teil des 0 °C Schmelzpunkt des Eises Temperaturbereichs zwischen Tripelpunkt und absolutem Nullpunkt. • Formelzeichen [T] • Einheit K -273,15 °C 0K absoluter Nullpunkt Kelvin und Celsius-Skala IBPM ©2005 Prof. Setzer 13 Universität Fläche D U I S B URG ESSE N Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Fläche • Produkt zweier senkrecht zueinander stehenden Längen A = a*b • Formelzeichen A • Grundeinheit m² a IBPM ©2005 Prof. Setzer 14 Universität IBPM Institut für Volumen D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM Volumen • Produkt dreier senkrecht zueinander stehenden Längen V = a*b*c • Formelzeichen [V] • Grundeinheit m³ a IBPM ©2005 Prof. Setzer 15 Universität D U I S B URG ESSE N Reindichte / Rohdichte Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Die Reindichte bezeichnet die Dichte eines reinen Materials ohne Einschlüsse oder Poren. ρ = m/V Berücksichtigt man die Poren eines Materials so gelangt man zur Rohdichte. ρR = m/(V+VP) IBPM ©2005 Prof. Setzer 16 Universität D U I S B URG ESSE N Schüttdichte Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM • Beim Aufschütten eines Materials entstehen Hohlräume zwischen den einzelnen Partikeln. • Hohlraumvolumen VH wird bei der Dichteberechnung berücksichtigt. • Folglich liegt die Schüttdichte unterhalb der Rohdichte. ρS = m/(V+VP+VH) IBPM ©2005 Prof. Setzer 17 Universität Flächenmasse D U I S B URG ESSE N Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM typischer Anwendungsfälle bei der die Flächenmasse eine Rolle spielt, ist der Schallschutz. Mit steigender Flächenmasse nimmt auch der Schallschutz von massiven Bauteilen zu. Massivdecken und -wände IBPM ©2005 Prof. Setzer 18 Universität Geschwindigkeit D U I S B URG ESSE N Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Geschwindigkeit: • kennzeichnet den Bewegungszustand eines Körpers • gibt an wie schnell ein Körper eine bestimmte Strecke zurücklegt • es werden Momentangeschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit, absolute Geschwindigkeit und relative Geschwindigkeit unterschieden IBPM ©2005 Prof. Setzer 19 Universität IBPM Institut für Beschleunigung D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM • zeitliche Änderung der Geschwindigkeit (v) nach Betrag und Richtung • Die Geschwindigkeitsänderung ∆v(t1, t2) zwischen zwei Zeitpunkten t1 und t2 ergibt sich durch vektorielle Differenzbildung zwischen v(t1) und v(t2) Vx s Vy = Vz = 0 Vx,t2 Vx,t1 t2 t1 t t ∆t IBPM ©2005 Prof. Setzer 20 Universität D U I S B URG ESSE N Kraft Campus Essen IBPM Institut für Bauphysik und Materialwissenschaft IBPM Es gilt das Newton'sche Gesetz: Kraft = zeitliche Änderung der Bewegungsgröße = Masse × Beschleunigung. Man kann allgemein formulieren: Kräfte können einen Körper beschleunigen, abbremsen,die Richtung seiner Bewegung ändern und ihn verformen. IBPM ©2005 Prof. Setzer 21 Universität D U I S B URG ESSE N IBPM Institut für Energie Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM • ursprünglich die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu leisten • es wird unter anderem unterschieden in elektrische, magnetische, kinetische, potentielle und Ruheenergie • Energieformen können mit Einschränkungen in einander umgewandelt werden Epot = potentielle Energie = m.g.h Ekin = kinetische Energie = 1.mv² 2 E t IBPM ©2005 Prof. Setzer 22 Universität IBPM Institut für Leistung D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM • 1 Watt (W) entspricht der Leistung die benötigt wird um 100 Gramm in einer Sekunde um einen Meter zu heben. • Es werden die Begriffe mittlere Leistung und Momentanleistung unterschieden. P P = konstant dt P * t dt t *gilt wenn E~t IBPM ©2005 Prof. Setzer 23 Universität IBPM Institut für Druck D U I S B URG ESSE N Bauphysik und Materialwissenschaft Campus Essen IBPM • 1 Pascal ist gleich dem Druck, der auf eine ebene Fläche von 1 m² senkrecht und gleichmäßig die Kraft 1 N ausübt. • Dies entspricht einer Wassersäule von 1/10mm verteilt auf eine Fläche von 1m². F A p IBPM ©2005 σ Prof. Setzer 24
