5 ! Wasser und Luft Kapitel 2: Die Dichte 2. Auch in der Chemie ein Thema: Die Dichte 11 i Im Chemieunterricht lernen Sie, die verschiedenen Stoffe zu unterscheiden. Eines der vielen Unterscheidungsmerkmale ist der Aggregats-Zustand. Ein anderes ist die Dichte, die uns die Masse pro Volumeneinheit angibt. Gasförmige Stoffe haben eine sehr geringe Dichte (ca. 1 kg/m3). Die festen und flüssigen Stoffe sind rund 1000-mal dichter gepackt, wobei Flüssigkeiten in der Regel eine geringere Dichte aufweisen als feste Stoffe. Als kleine Übungen bestimmen wir a) die Reihenfolge der Dichte für verschiedene Körper, b) die Dichte von Wasser (mit Hilfe eines Messbechers), c) die Dichte einer Stahlkugel (mit Volumenberechnung). 1. 2. 3. Ziele dieses Kapitels Sie wissen, was unter der Dichte zu verstehen ist und wie man sie messen kann. Sie können Berechnungen zur Dichte, zum Volumen und zur Masse korrekt durchführen. Sie sind zudem sicher im Rechnen mit Einheiten und Zehnerpotenzen. Dichte = Messung und Berechnung der Dichte 12 t= m V Ein Klumpen aus Metall ist an einer Schnur befestigt, damit Sie dessen Volumen durch den Wasseranstieg beim Eintauchen in einen Messbecher bestimmen können. a) Bestimmen Sie die Dichte dieses Metalls. Halten Sie die Messwerte und die Berechnungen in Ihrem Heft fest. Geben Sie die Dichte sowohl in der Einheit g/cm3 als auch kg/m3 an. Masse Volumen ρ ist ein Buchstabe des griechischen Alphabets und heisst Rho. kg , das schreibt m3 man oft auch so: Die Einheit von ρ ist 1 6t @ = 1 b) Um welches Metall könnte es sich handeln? kg = 1kg $ m - 3 m3 c) Warum ist das Ergebnis ungenau? 13 "Sie erhalten ein kleines regelmässiges Stück Holz und sollen dessen Dichte selber bestimmen. Berechnen Sie das Volumen aus Länge, Breite und Höhe. Halten Sie wiederum alle Teilschritte im Begleitheft fest. Tragen Sie das Ergebnis zusammen mit der Nummer des Holzstückes in die aufliegende Liste ein. 14 ✍ Die Einzelresultate der Klasse zu 13 fassen wir in einem einzigen Messergebnis zusammen. Das Messergebnis für die Dichte von Tannenholz beträgt gemäss den Messungen in unserer Klasse: ρTannenholz = ………………… ± ………………… 15 ? Wie kann man die Dichte von Luft messen? Stellen Sie Ihre Vorschläge für die nötigen Handlungsabläufe in einer Skizzenfolge dar und beschreiben Sie das Vorgehen. Vergleichen Sie das Messergebnis für die Dichte der Luft mit den gemessenen Werten von Aufgabe 7. Kommentar? 16 Dichtetabelle ρ [kg/m3] Die Werte für die Gase gelten bei 0°C Aluminium Blei Eisen rein Gold Kupfer Nickel Platin Silber Zink Beton Glas Plexiglas Messing Stahl Holz Kork Eis (0 °C) 2700 11340 7860 19290 8920 8900 21450 10500 7140 Äther Alkohol Olivenöl Petroleum Quecksilber 714 789 914 850 13546 Wasser 0 °C Wasser 4 °C Wasser 100°C 999.84 999.97 958.35 ca. 2000 ca. 2600 1190 ca. 8400 ca. 7900 500 - 700 ca. 300 917 Chlorgas Helium Kohlendioxid Luft Methan Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff 3.214 0.1768 1.9769 1.2929 0.7168 1.429 1.2505 0.0899 Bestimmen Sie grob die Masse der Luft im Schulzimmer. Schreiben Sie Ihr Vorgehen auf. ©mwey, 08.08.2012 www.mwey-physik.ch 6 ! Wasser und Luft Kapitel 2: Die Dichte Rechnen mit Einheiten und Zehnerpotenzen 17 i Im Physikunterricht müssen Sie – wie sie schon gemerkt haben – korrekt mit der Dichte umgehen können. Das könnte zum Beispiel heissen, dass Sie die Masse eines Körpers richtig aus seinem Volumen und seiner Dichte zu berechnen haben. Voraussetzung dafür ist, dass Sie mit Längen–, Volumen– und Massenangaben umzugehen wissen. Testen und üben Sie Ihre Fähigkeiten in diesem Bereich mit den folgenden Aufgaben. (Die Lösungen von Skriptes.) R–Aufgaben finden Sie im Anhang des 18 R Verwandeln Sie in die Einheiten m oder kg. Vorsilben für Zehnerpotenzen 0.2 g = 0.0002 kg = 2 . 10-4 kg Bsp: 458 km = 109 Giga G 106 Mega M 103 = 1000 Kilo k 102 = 100 Hekto h 10–1 = 1/10 Dezi d 10–2 = 1/100 Centi c 34.1 μg = 10–3 = 1/1000 Milli m 2 . 105 km = 10–6 = 1/1‘000‘000 Mikro µ 10–9 Nano n 876 . 105 g = 345 mm = 19 R! Verwandeln Sie in die verlangten Einheiten. Bsp: 2000 kg 2000 ⋅1000g 2 ⋅10 6 g 2 ⋅10 6 g g = = = 6 =2 3 3 3 3 3 3 m 100 cm 10 cm cm (100 cm) 7.103 mm2 = ! ! ! ! ! ! cm2 1.3 kg/m3 = ! ! ! ! ! ! g/cm3 51.3 µm = ! ! ! ! ! ! mm 104 mm3 =! ! ! ! ! ! cm3 7 g/cm3 =! ! ! ! ! ! kg/m3 16 m2 =! ! ! ! ! ! ! cm2 0.002 m3 = ! ! ! ! ! ! cm3 19 g cm–3 = 19 g/cm3 =! ! ! ! kg·m–3 3 h 23 min =! ! ! ! ! ! s 30 km/h =! ! ! ! ! m/s ©mwey, 08.08.2012 ! www.mwey-physik.ch 7 ! Wasser und Luft Kapitel 2: Die Dichte Übungen 20 R! Wägen ohne Waage. Wenn das Material eines Körpers bekannt ist, so kann man auch ohne Waage seine Masse bestimmen. Voraussetzung ist allerdings, dass man eine Dichtetabelle griffbereit hat. Beim Eintauchen eines unregelmässig geformten Stückes aus Blei in einen Messzylinder steigt der Wasserspiegel wie rechts abgebildet. Wie gross ist die Masse des Bleistückes? 21 R! Bestimmen Sie das Volumen von 1 kg Gold. 40 ml 40 ml 30 ml 30 ml 20 ml 20 ml 10 ml 10 ml Welche Kantenlänge hat ein Würfel mit diesem Volumen? 22 R! Wie viele bunte Luftballone mit 5 Liter "Füllvolumen" können mit 100 kg Helium gefüllt werden (bei normalem Luftdruck und 0°C Temperatur)? 23 R! Vervollständigen Sie die Tabelle rechts. 7.86 g/cm3 24 R! Eine Gruppe von fünf Schülerinnen und Schüler be- 13.55 g/cm3 stimmt mit verschiedenen Stücken die Dichte von Tannenholz. Sie erhalten die Werte: 485 kg/m3 , 0.467 g/cm3 , 518.3 kg/m3 , 200 cm3 0.7 kg 200 cm3 Gold Wasser 0.7 kg 461.765 kg/m3 , 0.505 g/cm3 Stellen Sie sich nun vor, Sie wären selber in dieser Gruppe dabei. Was würden Sie nun mit diesen fünf Resultaten tun? 2 cm 2 cm 25 R! Die Masse des rechts gezeichneten Körpers beträgt 0.189 kg. Woraus besteht er? 3 cm 26 R! Üben Sie den Umgang mit dem Taschenrechner bei folgenden Rechnungen, deren Resultate Sie wieder in wissenschaftlicher Schreibweise angeben sollen. (Können Sie 103 korrekt eintippen?) 2 cm 3 cm 103 . 1014 = 1 cm 0.02 . 10–2 . 1023 = (10–2)5 = Ergänzungen 27 ✍ Unter dieser Nummer halten Sie die Ergänzungen fest, die wir möglicherweise zu diesem Kapitel machen werden. ©mwey, 08.08.2012 ! Es wurden keine Ergänzungen gemacht. ! Es gab Ergänzungen, nämlich: www.mwey-physik.ch 40 ! Wasser und Luft Anhang: Lösungen Lösungen 18! 458 km = 458000 m =4.58 · 105 m ! 876 · 105 g = 87600 kg = 8.76 · 104 kg ! 345 mm = 0.345 m ! 34.1 μg = 34.1 · 10–6 g = 34.1 · 10–9 kg ! 2 · 105 km = 200'000'000 m = 2 · 108 m 19! 7 · 103 mm2 = 70 cm2 ! 1.3 kg/m3 = 0.0013 g/cm3 ! 51.3 µm = 0.0513 mm ! 104 mm3 = 10 cm3 ! 7 g/cm3 = 7000 kg/m3 ! 16 m2 = 16 . 104 cm2 = 1.6 · 105 cm2 ! 0.002 m3 = 0.002 · 106 cm3 = 2 · 103 cm3 ! 19 g cm–3 = 19 g/cm3 = 19‘000 kg · m–3 ! 3 h 23 min = 12'180 s ! 30 km/h = 8.33 m/s! 20! Körpervolumen V = 8 ml = 8 cm3 m = ρ · V = 90.72 g 21! V = 51.84 cm3 Kantenlänge = 3 V = 3.73cm ! 22! 36 ! ! ! ! ! 48! ! Eisen !! 7.87 g/cm3! Quecksilber! 13.55! ! Gold ! ! 19.29! ! Wasser! 1! ! 24! ! ! ! ! In gleiche Einheiten verwandeln. Mittelwert berechnen: 487 kg/m3 Fehler abschätzen: ± 28 kg/m3 Resultat nur mit aussagekräftigen Ziffern angeben: Dichte von Tannenholz ≈ 490 kg/m3 ± 30 kg/m3 25! V = 3cm·2cm·2cm + 1cm·3cm·2cm = 18 cm3 200 cm3! 51.7! ! 200! ! 700! ! 1.57 kg 0.7 3.86 0.7 0.189 kg g kg = 10.5 3 = 10500 3 18 cm 3 cm m ! " → Silber 26! 1017! ! 34! a) Bern: FG1 = 60 kg · 9.806 N/kg = 588.36 N b) Jungfraujoch: FG12 = 587.94 N also 0.42 N weniger c) Mond: FG13 = 97.32 N 35! ! FG ≈ 3.5 N (aus Zeichnung); ρ = 8920 kg/m3 m = FG/g! unten einsetzen: m F V = = G ≈ 0.00004 m3 = 40 cm3 ρ ρ ⋅g ©mwey, 08.08.2012 2 · 1019! V = 5.287 cm3 Kantenlänge = 3 V = 1.742 cm ! Bei Kopf und Spitze wirkt je die gleiche Kraft aber sehr unterschiedlicher Druck: Kopf: !! p1 ≈ 100'000 Pa = 1 bar Spitze:! p2 ≈ 10'000'000 Pa = 100 bar Der Druck, den der Daumen beim Kopf ausübt, wird bei der Spitze 100-fach vergrössert. Annahmen: Masse (inkl. Raumanzug): 120 kg Fussfläche: 10 cm · 30 cm = 300 cm2 N ! Druck = 120kg⋅1.622 k g Gewicht = = 6500Pa Fussfläche 300cm 2 49! ! ! Annahmen: Kraft auf das Papier ≈ 1 N Fläche der Schreibspitze ≈ 1 mm2 Druck ≈ 1'000'000 Pa = 10 bar 50! 4500 Pa 58! a) Die dunkel gefärbte Flüssigkeit hat die grössere Dichte, denn eine geringere Füllhöhe reicht aus, um im Verbindungsrohr den gleichen Druck zu erzeugen wie die "helle Flüssigkeit". b) Druck im Verbindungsrohr von links pP = hP ρP g Druck von rechts (Wasser) pW = hW ρW g hP ρP g = hW ρW g ; es folgt: hP ρP = hW ρW und daraus: ca. 113'000 Ballone ρ= FG 1 N = = 101.98 g g 9.806 N/kg = 0.065 bar 23! ! ! ! ! ! 47! m= ! 10–10 ! ! ! ! ! hp = hw ρw = 58.8 cm ρp ! ! c) Dichte der dunklen Flüss. ≈ 1375 kg/m3 59! Zusätzlicher Wasserdruck: 1 bar, 2 bar, 5 bar. 60! Wasserturm für Wasserversorgung, Schleuse, Siphon (Funktionsweise?), ... 71! Die Erhöhung des Luftdrucks über dem Wasser führt dazu, dass auch der Druck im Wasser an der Stelle des Tauchers grösser wird. Als Folge davon steigt der Wasserstand im Taucherinnern, der dadurch schwerer wird. Da sich an der Auftriebskraft nichts ändert, denn das Volumen des Tauchers ist stets dasselbe, sinkt der schwerer gewordene Taucher ab. Mit zunehmender Tiefe steigt der Wasserdruck und es wird noch mehr Wasser in den Taucher gedrückt. Der Taucher wird noch schwerer und sinkt deswegen noch schneller. Je tiefer der Taucher absinkt, um so grösser wird die Sinkgeschwindigkeit, bis er endlich am Boden ankommt. www.mwey-physik.ch 41 ! 80! 81! Wasser und Luft Anhang: Lösungen Die Auftriebskraft des Balles beträgt 0.22 N. Die Waage zeigt also 0.022 kg zu wenig an. Die wahre Masse des Balles beträgt 3.432 kg. Der Messfehler beträgt 0.64 %. Vom dritten zum vierten Bild: Die Kraft auf den Boden des Gefässes nimmt um 5 N zu; die Druckzunahme Δp kann daraus berechnet werden, da die Grundfläche bekannt ist: Δp = 250 Pa. Mit der Zunahme des Bodendruckes hat auch die Höhe des Wasserstandes zugenommen. Es gilt: Δp = ρ g Δh. Wobei Δh die Höhenzunahme bedeutet. Nach geeigneter Umformung haben wir: Δp = 2.55 cm ρg . Grenzfall: Die Eisscholle ist ganz eingetaucht und "trägt" sich selbst und das zusätzliche Gewicht, d.h. die Auftriebskraft des Eises ist so gross wie die Gewichtskraft des Eises und des zusätzlichen Gewichtes zusammen. Δh = ! 82! ! Es strömen also 0.268 m2 Sauerstoff-Gas aus, diese haben eine Masse von 0.384 kg. 117! a) Auf Meereshöhe herrsche der Druck 1 bar und die Dichte der Luft betrage 1.293 kg/m3. Wäre die Dichte auf den untersten 200 m der Atmosphäre unverändert, so berechnete man den die Druckabnahme wie folgt: ! ! Dp = t $ g $ Dh = 2530 Pa ! ! b) Aus dem Gesetz von Bolye-Mariotte folgte bekanntlich (siehe 116, resp. neu 117), dass p1 t1 p2 = t2 . Nach a) weiss man, dass auf 200 m.ü.M. der Luftdruck etwa p2 = 97470 Pa beträgt. Für die Dichte erhält man aus der genannten Formel: p2 kg t2 = t1 $ p = 1.26 m3 1 ! 142! 2·106 ! 2·10–5 ! 1·10–1 = 0.1 ! 1.8607·105 ! FA = FGEis + FGLast ! ρWasser g A d = ρEis g A d + m g ! ! ! ρWasser A d = ρEis A d + m ! 1·105 = 105 ! A = 7.03 m2 ≈ 7 m2. ! 1.08·10–1 = 0.108 96! Auf die Dose im Innern des Gehäuses muss der gleiche Luftdruck herrschen wie ausserhalb des Gehäuses. ! 6.580042·101 = 65.80042 ! 2·1019 Damit man im Flugzeug normal atmen kann, wird künstlich ein Luftdruck von ca. 1 bar erzeugt. Auf der Höhe, wo das Flugzeug fliegt (z.B. 10'000 m) ist der Luftdruck aber viel kleiner als 1 bar. Beim Öffnen einer Luke würde deshalb sofort Luft nach aussen entweichen ... ! 10–10 ! 9.0 Der Deckel sitzt so fest, weil innen ein Unterdruck herrscht, d.h. innen ist der Druck kleiner als aussen. Ein Loch im Deckel bewirkt nun, dass innen der gleiche Druck entsteht wie aussen und somit der Deckel nicht auch noch durch den Luftdruck zusätzlich auf das Glas gedrückt wird. 97! 98! | :g 143! 1017 144! 4.58 · 105 m ! 8.76 · 104 kg ! 3.45 · 10–7 m ! 12180 s = 1.218 · 104 s ! 4.57 · 107 m ! 3.41 · 10–5 g = 3.41 · 10–8 kg ! 2 · 108 m 143! 0.453 Gm = 453 Mm ! 45.673 m 107! Die Funktionsweise erfahren Sie bestimmt in einem geeigneten Lexikon oder indem Sie eine Pumpe auseinander nehmen. ! 0.56 km = 560 m ! 720 m ! Annahmen: Kolbendurchmesser 2 cm, Kraft ungefähr 50 N. Daraus berechnet sich der Druck auf etwa ~ 160'000 Pa = 1.6 bar. ! 1 μm ! Durch das Ausströmen verteilt sich das Gas auf ein grösseres Volumen V2. Aus Boyle-Mariotte kann man herleiten, dass p1 V2 = V1 $ p = 0.368 m2 2 116! ! ©mwey, 08.08.2012 144! 70 cm2! ! ! 1.5 . 1011 m 0.0013 g/cm3! ! 0.045 km/s ! 0.0513 mm! ! ! 1.6 . 105 cm2 ! 10 cm3! ! 2000 cm3 ! 7’000 kg/m3 ! www.mwey-physik.ch 42 ! Wasser und Luft Anhang: Zusammenfassung Zusammenfassung Dichte ρ ! ! ! ! ! ! ! ! Masse Volumen ! Dichte = [ ρ] = ! ! FG = m ⋅ g ! [ F ] = N = Newton ! Druck p ! ! Vorsilben für Zehnerpotenzen ! Druck = [ p] = Kraft Fläche ! ! p= F A N = Pa = Pascal m2 ! ! ! ! ! ! 1 bar = 1000 mbar = 100'000 Pa ! ! ! 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa Schweredruck Der Schweredruck (hydrostatische Druck) in einer Flüssigkeit mit der Dichte ρ beträgt in der Tiefe h ! ! ! p = ρ ⋅g ⋅h und wirkt in alle Richtungen. Normdruck!Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe beträgt ! ! ! 1.013 bar = 1013 mbar = ! ! ! 1013 hPa ≈ 760 mmHg. Auftriebskraft mit ρF = Dichte der Flüssigkeit (des Gases) und VK = Volumen des eingetauchten Körpers, resp. Körperteiles, gilt ! ! ! FA = ρ F ⋅ g ⋅VK Satz von Pascal: Wenn der Einfluss der Gewichtskraft unbedeutend ist, herrscht in einer Flüssigkeit und in einem Gas an jeder Stelle der gleiche Druck. Hydrostatisches Paradoxon: Der Druck am Boden eines Gefässes hängt nur von der Höhe des Flüssigkeitsstandes ab, aber nicht von der Form und dem Volumen des Gefässes. Kommunizierende Gefässe: In offenen und untereinander verbundenen Gefässen, die mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt sind, ist der Flüssigkeitsstand überall gleich hoch. Prinzip des Archimedes: Die Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit oder des verdrängten Gases. Gesetz von Boyle und Mariotte: Bei konstanter Temperatur ist das Volumen V einer eingeschlossenen Gasmenge dem Kehrwert des Druckes p proportional, bzw. das Produkt V · p ist konstant:!! V ⋅ p = konst ! ! ! ©mwey, 08.08.2012 V1 ⋅ p1 = V2 ⋅ p2 = ... 109 Giga G 106 Mega M Kilo k 102 = 100 Hekto h 10–1 = 1/10 Dezi d 10–2 = 1/100 Centi c 10–3 = 1/1000 Milli m 10–6 = 1/1‘000‘000 10–9 Mikro μ Nano n 103 g kg 1 3 = 1000 3 cm m FG = Masse ⋅Ortsfaktor ! m V ! kg = kg ⋅m−3 3 m Gewichtskraft ! ! ρ= = 1000 Dichtetabelle ρ [kg/m3] Die Werte für die Gase gelten bei 0°C Aluminium Blei Eisen rein Gold Kupfer Nickel Platin Silber Zink 2700 11340 7860 19290 8920 8900 21450 10500 7140 Beton Glas Messing Stahl Holz Kork ca. 2000 ca. 2600 ca. 8400 ca. 7900 500 - 700 ca. 300 Eis (0 °C) 917 Äther Alkohol Olivenöl Petroleum Quecksilber 714 789 914 850 13546 Wasser 0 °C Wasser 4 °C Wasser 100°C Chlorgas Helium Kohlendioxid Luft Methan Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff 999.84 999.97 958.35 3.214 0.1768 1.9769 1.2929 0.7168 1.429 1.2505 0.0899 Verschiedene Ortsfaktoren Bern (537 m.ü.M.) 9.8060 N/kg Jungfraujoch (3456 m.ü.M.) 9.7990 N/kg Äquator auf Meereshöhe 9.7803 N/kg Nordpol auf Meereshöhe 9.8322 N/kg Druckverteilung der Atmosphäre Ort Höhe ü.M. Höhe der Hg-Säule Meereshöhe Puy-de-Dôme Säntis 0m 1465 m 2503 m 760 mm 626 mm 560 mm Montblanc Mont Everest Flughöhe von Verkehrsflugz. 4807 m 8848 m 417 mm 236 mm 12000 m 20000 m 146 mm 41 mm Druck in mbar www.mwey-physik.ch 43 ! Wasser und Luft Stichwortliste Die Stichwörter können eine Hilfe sein beim Repetieren. Können Sie zu jedem Stichwort eine Beschreibung, Erklärung oder Definition angeben? Dichte, Dichtemessung, Dichte von Wasser, Einheiten und Zehnerpotenzen, Kraft, Kraftmesser Newton, Masse und Gewichtskraft, Balkenwaage, Ortsfaktor, Druck, Pascal, bar, Bodendruck, “Druckübersetzer”, Kolbendruck, Satz von Pascal, hydraulische Presse, Velopumpe, Schweredruck, hydrostatischer Druck, hydrostatisches Paradoxon, Prinzip der kommunizierenden Gefässe, Schleuse, Wasserturm, Guerickes Halbkugeln, Luftdruck, Druck im Luftballon, Überdruck, Manometer, Barometer, Quecksilberbarometer, Dosenbarometer, Normdruck, Atmosphäre, Auftriebskraft, Prinzip von Archimedes, sinken, schweben, schwimmen, Auftrieb beim Ballon, Heissluftballon, Zeppelin, Isobare, Blutdruck, hydraulische Bremse, Heureka, Schwimmblase, Cartesianischer Taucher, Gleichgewichtsarten, Herons Brunnen, Oechslegrad, Aräometer, Tiefgang beim Schiff, Auftrieb in Süsswasser und Meerwasser, Schwimmdock, Taucherglocke, Gasdruck, Gesetz von Boyle und Mariotte. ©mwey, 08.08.2012 Anhang: Zusammenfassung Dichte der Luft in kg/m3 für verschiedene Werte von Luftdruck und Lufttemperatur Druck Temperatur in °C in mbar 0 20 1000 1.29 1.2 40 60 1.13 1.06 80 100 120 1 0.94 0.9 900 1.16 1.08 1.01 0.95 0.9 0.85 0.81 800 1.03 0.96 0.85 0.8 0.76 0.72 700 0.9 0.9 0.84 0.79 0.74 0.7 0.66 0.63 600 0.77 0.72 0.68 0.63 0.6 0.57 0.54 500 0.65 0.5 0.47 0.45 0.6 0.56 0.53 www.mwey-physik.ch