Grundlagen der Physik und Chemie: Konzepte & Gesetze

Physik und Chemie: Grundlegende Konzepte

Die wissenschaftliche Methode

Die wissenschaftliche Methode ist die Arbeitsweise, die zur Untersuchung der in der Natur vorkommenden Phänomene dient. Sie besteht aus folgenden Schritten:

• Beobachtung
• Informationssammlung
• Forschung
• Formulierung einer Hypothese
• Experiment
• Auswertung der Ergebnisse
• Formulierung von Gesetzen
• Formulierung von Theorien und Modellen
• Wissenschaftlicher Bericht

Grundlagen der Messung

Größe (Magnitude)

Eine Größe ist alles, was gemessen werden kann. Eine Basisgröße ist allein wichtig zu definieren, während eine abgeleitete Größe aus anderen Größen definiert wird.

Messung

Messung ist der Vergleich einer Größe mit der Größe einer Einheit, um festzustellen, wie oft diese Einheit darin enthalten ist.

Einheit

Eine Einheit ist ein festgelegter Betrag als Maßstab, mit dem eine Größe gleicher Art verglichen wird. Sie muss konsistent, universell und reproduzierbar sein. Es gibt eine Vereinbarung, dass diese Einheiten für jede Größe im Internationalen Einheitensystem (SI) verwendet werden.

Genauigkeit

Genauigkeit ist die minimale Variation, die ein Instrument erkennen kann.

Materie und ihre Eigenschaften

Materie

Materie ist alles, was Masse und Volumen besitzt. Dies sind die allgemeinen Eigenschaften der Materie und können nicht zur Identifizierung von Substanzen verwendet werden.

Dichte

Dichte ist die Masse, die in einem bestimmten Volumen enthalten ist. Sie ist eine charakteristische Eigenschaft der Materie.

Kinetische Theorie der Materie und Aggregatzustände

Die kinetische Theorie erklärt, dass Materie aus winzigen Teilchen in kontinuierlicher Bewegung besteht. Materie existiert in verschiedenen Aggregatzuständen:

• Fest (Solid): Teilchen sind eng zusammen und vibrieren. Feste Form und konstantes Volumen.
• Flüssig (Liquid): Geringere Anziehungskräfte. Konstantes Volumen, aber keine feste Form.
• Gasförmig (Gaseous): Teilchen neigen dazu, sich zu trennen. Erzeugen Druck.
• Plasma: Tritt bei sehr hohen Temperaturen auf (z.B. in Sternen). Eine Mischung aus ionisierten Gasen.
• Bose-Einstein-Kondensat: Teilchen befinden sich im niedrigsten Energiezustand.

Temperatur und Temperaturskalen

Temperatur ist eine Größe, die die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen eines Körpers misst. Es gibt zwei gängige thermometrische Skalen:

• Celsius: Eisschmelze: 0 °C / Kochendes Wasser: 100 °C
• Kelvin: Schmelzendes Eis: 273.15 K / Kochendes Wasser: 373.15 K / 0 K = absoluter Nullpunkt (Bose-Einstein-Kondensat)

Umrechnung: Kelvin = Grad Celsius + 273.15

Phasenübergänge (Aggregatzustandsänderungen)

Ein Phasenübergang ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht, ohne seine chemische Natur zu ändern. Während dies geschieht, bleibt die Temperatur konstant. Dazu gehören:

• Schmelzen
• Verdampfung (Verdunstung, Sieden und Sublimation)
• Kondensation
• Erstarren

Druck und atmosphärische Phänomene

Druck

Druck ist die Kraft, die pro Flächeneinheit ausgeübt wird. Je größer die Kraft, desto größer der Druck. Er wird in Pascal (Pa), Millimeter Quecksilbersäule (mmHg), Atmosphären (atm) usw. gemessen.

Schmelzpunkt und Siedepunkt

• Schmelzpunkt: Die Temperatur, bei der ein Feststoff schmilzt, wenn der äußere Druck eine Atmosphäre beträgt.
• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet, wenn der äußere Druck eine Atmosphäre beträgt.

Luftdruck

Luftdruck ist der Druck, den die Atmosphäre auf die Erdoberfläche und auf die darin befindlichen Körper ausübt. Er wird mit einem Barometer gemessen.

Drucksysteme

• Hochdruckgebiet: Antizyklone
• Tiefdruckgebiet: Sturm/Zyklone

Gesetze der Gase

Gesetz von Boyle-Mariotte

Für die gleiche Masse eines Gases gilt: Wenn die Temperatur unverändert bleibt, ist bei höherem Druck das Volumen niedriger und umgekehrt.

1. Gesetz von Charles und Gay-Lussac

Für die gleiche Gasmenge gilt: Bei konstantem Druck ist das Volumen bei höheren Temperaturen größer und umgekehrt.

2. Gesetz von Charles und Gay-Lussac

Für die gleiche Masse eines Gases gilt: Bei konstantem Volumen ist der Druck bei höheren Temperaturen höher und umgekehrt.