ebook img

Ausgewählte Kapitel aus der Physik: Nach Vorlesungen an der Technischen Hochschule in Graz PDF

134 Pages·1948·10.018 MB·German
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Ausgewählte Kapitel aus der Physik: Nach Vorlesungen an der Technischen Hochschule in Graz

K.W. Fritz Kohlrausch Ausgewählte Kapitel aus der Physik Wärme Ausgewahlte Kapitel aus der Physik N am V orlesungen an cler T emnismen Homsmule in Graz Von K. W. Fritz Kohlrausm In fiinf Teilen III. Tei!: Warme Mit 35 T extabbildungen Springer-Verlag Wien GmbH ISBN 978-3-7091-2097-2 ISBN 978-3-7091-2096-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-7091-2096-5 Aile Rechte. insbesondere das der Dbersetzung in fremde Sprachen. vorbehalten Copyright Springer-Verlag Wien 1948 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verkag in Vienna 1948. Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1948 Vorwort. Ahnlich wie in den Jahren nach 1918 ist auch jetzt wieder der Zustrom der Horer zu den Hochschulen vervielfacht. Viel weniger noch als schon in normal en Zeiten ist es selbst an kleinen Hochschulen moglich, sich mit der Ausbildung dem Einzelnen anzupassen. Wieder sind die Horer durch die Un gunst der auBeren Umstande nur zu haufig behindert, die Vorlesungen regelmaBig zu besuchen und sich luckenlose Unter lagen zum Studium fur die vorgeschriebenen Prufungen selbst zu beschaffen. Ais besonders erschwerender Umstand tritt aber diesmal der empfindliche Mangel hinzu, der an greifbaren Lehr buchern und sonstigen Studienbehelfen herrscht. Diese Verhaltnisse bewogen mich, meinen langjahrigen grundsatzlichen Widerstand aufzugeben und mich zur Heraus gabe von "Skripten" zu entschlieBen. Sie entstanden durch die in Zeitnot ausgefUhrte Bearbeitung der Notizen zu meinen an der Technischen Hochschule in Graz gehaltenen Vorlesungen, die ein zweisemestriges, je vierstundiges allgemeines Kolleg fUr Maschinenbauer, Elektrotechniker, Bauingenieure und Chemiker, sowie ein einsemestriges dreistundiges Kolleg fUr Chemiker (im 7. Semester) iiber "Aufbau der Materie" umfassen. Es gibt zahlreiche gute Lehrbiicher fUr Physik, die als Studienbehelf in Betracht kommen, derzeit aber nicht kauflich sind; ich erwahne nur beispicIhaft jene von POHL, GRIMSEHL TOMASCHEK, BERGMANN - SCHAFER, FURTH und insbesondere das Buch von WESTPHAL, das nach meinem DafUrhalten be ziiglich Auswahl und Darstellung des Stoffes den durchschnitt lichen Bedurfnissen der studierenden Techniker am besten gerecht wird. Die vorliegenden Skripten beanspruchen nun keineswegs als nennenswerte Bereicherung des schon vorhande nen Schrifttums gewertet zu werden, zumal sie in ihrer ganzen Anlage nur allzu deutlich personlichen und lokalen Charakter tragen und zum Gebrauch neb e n der Vorlesung mit ihrer IV lebendigeren und ausfUhrlicheren Darstellung gedacht sind. Vielmehr handelt es sich urn eine N otstandsmai3nahme, fUr die das Wort be stirn mend ist: Doppelt gibt, wer schnell gibt. Geplant sind 5 Befte in einfachster AusfUhrung: 1. Mechanik, II. Optik, III. Warme, IV. Elektrizitat, V. Aufbau der Materie. Bei Verweisungen, z. B. I, I2 (6), bedeutet die romische Ziffer den Band, die arabische Ziffer das Kapitel und die in Klammer stehende arahische Ziffer die Gleichung, auf die ver wiesen wird. Dem Springer-Verlag in Wien bin ich fUr sein verstandnis voIles Entgegenkommen zu aufrichtigem Dank verpflichtet. Frtihjahr I946. K. W. Fritz Kohlrausch. III. Warme. Inhaltsverzeichnis. Seite Zur Einftihrung ............................................... . Uberblick tiber den Mittelschullehrstoff .......................... . 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I A. Allgemeine Grundlagen ................................ 4-39 2. Warmezustand, Zustandsvariable, ZustandsgraBen ............ 4 a) Das Volumen .......................................... 6 b) Der Druck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6 c) Die Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 d) ZustandsgraBen......................................... 10 e) Spezifische GraBen...................................... 10 3. Die Zustandsgleichung im allgemeinen ...................... II 4. Die Warmemenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 5. Die Warmetibertragung ..................................... 19 6. Die Warme als Energieform................................ 23 a) Erste Formulierung des ersten Hauptsatzes. Umkehrbare Ausdehnungsarbeit und innere Energie .................... 24 b) Zweite Formulierung des ersten Hauptsatzes. Umkehrbare technische Arbeit und Enthalpie .......................... 28 c) Umkehrbarkeit des Warmetiberganges .................... 29 d) Das mechanische Warmeaquivalent .................... , .. 30 e) Die Warmeenergie als Energie der ungeordneten Molekularbe- wegung ................................................ 32 B. Die thermischen Eigenschaften der Stoffe ......... 40- 87 (Kinetische Theorie der Materie und Erfahrungstatsachen) 7. Kinetik der idealen Gase .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40 a) Der Bewegungszustand der Gasteilchen.................. 40 b) Der Gleichverteilungssatz (Aquipartitionstheorem)......... 45 c) Die Zustandsgleichung des idealen Gases ................. 46 d) Der Satz von AVOGADRO ............................... 48 e) Der Satz von DALTON tiber die Additivitat der Partialdrucke 48 f) Die innere Energie ..................................... 49 g) Die spezifischen Warmen............................... 50 h) Erganzungen .............. , ........................... 51 8. Phanomenologische Beschreibung des idealen Gases.......... 53 a) Die Isotherme......................................... 53 b) Die Isobare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54 c) Die Zustandsgleichung ................................. 54 d) Die Isochore .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55 VI Inhaltsverzeichnis. Seite e) Die spezifischen Warm en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55 f) Die inn ere Energie.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 g) Die kalorische Zustandsgleichung der idealen Gase ........ 60 9. Reale Gase und Fliissigkeiten ............................. 6z a) Die Abweichungen im Verhalten realer Gase vom BOYLE- schen Gesetz .......................................... 6z b) Die VAN DER W AALssche Zustandsgleichung.. . . . . . . . . . . .. 64 c) Die Kontinuitat zwischen gasfOrmigem und fliissigem Zu- stand ................................................. 67 d) Fliissigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7z e) Das Theorem der iibereinstimmenden Zustande ........... 74 10. Der feste Korper ......................................... 75 a) Allgemeine Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75 b) Das molekulare Modell des Festkorpers . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77 c) Der ideale feste Korper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80 11. Veranderungen des Aggregatzustandes ...................... 81 a) Allgemeines ........................................... 81 b) Der Schmelzvorgang ................................... 83 c) Der Sublimationsvorgang.......................... . . . .. 84 d) Der Verdampfungsvorgang ............................. 84 e) Der Tripelpunkt... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 C. Die Hauptsatze der Thermodynamik und ihre Anwen- dungen ................................................ 87-1ZZ lZ. Polytropische Zustandsanderungen ......................... 87 13. Der CARNoTsche KreisprozeB .............................. 90 a) Die Zustandsanderung des Ubertragungskorpers .......... 90 b) Der CARNoT-ProzeB als theoretisches Optimum ........... 93 c) Der reversible CARNoT-ProzeB. Optimale Ausfiihrung...... 94 d) Erweiterung auf beliebige Stoffe als U. K. . . . . . . . . . . . . . .. 95 e) Die Summe der Warmegewichte ........................ 96 f) Erweiterung der Giiltigkeit des Satzes von den Warme gewichten auf beliebige Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97 14. Die Entropie und der II. Hauptsatz ....................... 98 a) Die Entropie als ZustandsgroBe......................... 98 b) Der zweite Hauptsatz .................................. 101 c) Der statistische Charakter des II. Hauptsatzes ............ 103 d) Die mechanische Messung der Temperatur ............... 108 15. Das thermodynamische Gleichgewicht und die charakteristi- schen Funktionen ........................................ 109 16. Einige Folgerungen aus den beiden Hauptsatzen ............. lIZ a) Homogenes System (nur eine Stoffart in nur einer Phase) IIZ b) Anwendung auf ideale Gase .. , ......................... 115 c) Anwendung auf reale Gase ............................. II5 d) Inhomogene Systeme. Phaseniibergangsgebiet ............. II7 17. Das NERNsTsche Theorem (III. Hauptsatz) .................. IZO Namen- und Sachverzeichnis ............................. lz3 Zur Einfiihrung. Uberblick tiber den Mittelschul-Lehrstoff. (Vergleiche z. B. ROSENBERGS Lehrbuch der Physik.) Der Lehrstoff der Mittelschule wird als im wesentlichen be kannt vorausgesetzt. Das Gewicht der Hochschulvorlesung liegt nicht auf der Wiederholung und Auffrischung von bereits Be kanntem, da sich dies jeder Horer notfalls selbst erarbeiten kann oder muJ3; sondern vielmehr auf der Vertiefung und Erweiterung der Erkenntnis dort, wo dies notwendig und moglich erscheint. Dementsprechend wird mancher Gegenstand des elementaren Unterrichts tiberhaupt nicht oder nur mehr beispielhaft be sprochen, wahrend andere Teile, aufbauend auf den vorhandenen Grundlagen, einer wesentlich eingehenderen Behandlung unter zogen werden. I. Messung von Druck und Temperatur: Barometer. Manometer; Gas- und Fl tissigkeitsthermometer, Fixpunkte und Skalen. 2. Warmeausdehnung gasfOrmiger, fltissiger und fester Kerper. 3. Zustandsgleichung der Gase. 4. Warme und Arbeit; Warmeaquivalent: I kcal = 427 mkg*. 5. Spezifische Warme, Kalorimetrie. 6. Schmelzen: Schmelzpunkt, Schmelzwarme. 7. Verdunsten und Verdampfen: Verdunstungskalte, Verdampfungs (Siede-) Temperatur, Verdampfungswarme. Verdampfungsdruck. 8. Warmekraftmaschinen: Dampfmaschine, Explosionsmotor. 9. Warmeleitung, Warmestrahlung. 10. Warmevorgange in der Atmospnare. Luftfeuchtigkeit, Konden sation, Luftstremungen. I. Einleitung. Jedermann kennt aus dem eigenen Erleben eine Unzahl von Erfahrungen yom folgenden Typus: Die gehobene und dann frei gelassene Masse verwandelt ihre potentielle Hubenergie beim Fall freiwillig in Bewegungsenergie, die ihrerseits beim Aufschlag "von selbst" gr6J3tenteils in Warme tibergeht. Aber die Umkehrung dieses Vorganges, Zusammenstromen der Warme an eine Stelle, p16tzliche Ausdehnung derselben und Emporschleudern der Masse K 0 h J r a usc h, Physik, Ill. Wiirme. 2 Einleitung. 1 kann weder als freiwilliger noch als erzwungener Vorgang beob achtet werden. - Oder: Das Verschieben einer Masse in der + Richtung x erzeugt auf der Unterlage Reibungswarme; bei der Umkehr, also bei der Riickverschiebung in der Richtung - x, wird nun nicht etwa Warme von der Masse aufgenommen, viel mehr neue erzeugt. - In beiden Fallen lal3t sich daher der An fangszustand nicht restios, d. h. unter Verschwinden aller Merk male yom vollzogenen Geschehen, wieder herstellen; die Vor gange sind als "nicht-umkehrbar", als "irreversibel" zu charak terisieren. Wenn man sich nun vergegenwartigt, daB es erstens in der be lebten und unbelebten Umwelt iiberhaupt keinen Vorgang von nennenswerter Bedeutung gibt, der ohne derartige Warmeumsatze - meist Erzeugung von Reibungswarme im weiteren Sinne - vor sich geht, daB also alle wirklichen Prozesse irreversibel sind; und daB zweitens die Moglichkeiten, diese fortlaufend erzcugte oder sonst irgendwie aufgespeicherte Warme zu nutzbringender Arbeit zu verwerten, auBerst beschrankt sind, einerseits, weil dazu ein Temperaturgefalle unentbehrlich, andcrseits, weil die Ausbeute hochst mangelhaft ist: Dann begreift man die zentrale Stellung, die die Warme im Energiehaushalt und in dem yom menschlichen Interesse gewerteten taglichen Leben spielt. Schon aus Griinden des Eigennutzes und der Selbsterhaltung ist es unerlaBlich, sich den bestmoglichen Einblick in alle mit dem Warmegeschehen zu sammenhangenden GesetzmaBigkeiten zu verschaffen. Neben diesem praktischen Gesichtspunkt ist der erkenntnis theoretische von nicht geringerem Gewicht. Denn der Drang zum Begreifen der Sonderstellung, die die Warmeenergie gegeniiber allen anderen Energieformen einnimmt, war es, der das Ver standnis fUr den Unterschied zwischen "makroskopischer Beob achtung" (Untersuchung des Durchschnittsverhaltens einer Viel heit) und mikroskopischer Welt (das Einzelgeschehen selbst in dieser Vielheit) zum BewuBtsein brachte. - 1st einmal der als Warme bezeichnete Energieinhalt der Materie als die summierte Energie der ungeordneten ("Miickenschwarm"-) Bewcgung der unter gleichen Bedingungen stehenden Elementarteilchen (der Molekille) erkannt, dann ist diese Sonderstellung eine Selbst verstandlichkeit: Nichts ist natiirlicher, als daB ein geordneter Zustand von selbst iibergeht in den ungeordneten, nichts ist un wahrscheinlicher und daher auBerhalb der taglichen Erfahrung liegend, als die freiwillige Umkehr dieses Vorganges; sofern natiir lich eine Vielheit so hinreichenden Umfanges vorhanden ist, daB von Ordnung und Unordnung iiberhaupt gesprochen werden 1 Einleitung. 3 kann. Je umfangreicher diese Vielheit, urn so sicherer die dies beztigliche Erwartung. Es ist das historische Verdienst LUDWIG BOLTZMANNS (1844 bis 1906; 1867/73 und 1876/89 Ordinarius an der Universitat Graz) , hier bahnbrechende Arbeit geleistet zu haben. Er vermochte auf der Basis von Wahrscheinlichkeitsbetrachtungen sowohl die Ent stehung als den Gtiltigkeitsbereich bekannter physikalischer Ge setze als notwendige Folge der zufalligen Bewegung der Korper molekiile darzutun und die Exaktheit solcher Gesetze zurtick zufiihren auf die beherrschende Rolle des "Gesetzes der groBen Zahlen" fUr die Mittelwertsgenauigkeit. Und dies zu einer Zeit, wo der Begriff Molekularphysik, deren beredter Anwalt BOLTZ MANN war, noch als durchaus umstritten galt. - Wenn auch auf dieser Stufe der Erkenntnis die Frage, ob auch das Einzelgeschehen selbst kausal bedingt ist oder nkht, noch keine wesentliche Rolle spielt und somit die neuesten diesbeztiglichen (vgl. I, 36/37; II, 27 c) kritischen Betrachtungen als Versuch zu einem VorstoB auf noch hohere Stufen der Erkenntnis zu bewerten sind, so bereitete doch BOLTZMANNS tiefschiirfende theoretische Analyse den Boden vor, auf dem die notwendigen Denkformen zum Reifen gebracht wurden. Was die theoretische Behandlung der Warmeerscheinungen anbelangt, so sind zwei Standpunkte zu unterscheiden, die durch die Kennworte "Thermodynamik" und "Molekulartheorie" cha rakterisiert sind. Die allgemeine Thermodynamik geht von zwei sehr allgemeinen und in der Erfahrung auBerordentlich stark verankerten sog. "Hauptsatzen" aus, die als nicht weiter zu begrtindende Axiome aufgefaBt werden. Der erste Hauptsatz sagt aus, daB Warme eine Energieform sei, daB infolgedessen der Erhaltungssatz gelte und die Konstruktion eines "Perpetuum mobile erster Art" unmoglich sei. Der zweite Hauptsatz macht Aussagen tiber den Richtungs sinn der Warmeprozesse, wie etwa in der allgemeinverstandlichen Form: "Warme geht nicht von selbst vom kalteren zum warmeren Korper tiber" und verneint die Moglichkeit eines "Perpetuum mobile zweiter Art" (III, 14). - Die auf diesen Hauptsatzen fuBende Thermodynamik gibt dann einen Rahmen ab fUr die Gesetze, denen das Warmegeschehen gehorcht. Uber die Eigen schaften der beteiligten Materie erfolgt keinerlei Aussage, wohl aber tiber die Verkntipfung derselben untereinander. Nutzbar wird die Theorie erst, wenn sie auf die aus der Erfahrung oder aus der Molekulartheorie entnommenen Stoffeigenschaften angewendet wird. Diese Verhaltnisse bringen es mit sieh, daB die Thermo- x*

See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.