Grundlagen der Thermodynamik und Wärmeausdehnung

Venturi-Rohr und Grundlagen der Thermodynamik

Das Venturi-Rohr ist ein Rohr, das zum Messen von Geschwindigkeiten zirkulierender Flüssigkeiten verwendet wird. Es basiert auf dem Bernoulli-Prinzip: Wenn eine Flüssigkeit diesen Abschnitt durchläuft, erhöht sich die Geschwindigkeit, während der Druck sinkt.

Die Thermodynamik ist der Teil der Physik, der für das Studium der Hitze sowie den Unterschied zwischen Wärme und Temperatur verantwortlich ist. Benjamin Thompson entdeckte die durch Reibung (Friction) erzeugte Hitze. Wärme ist die Summe der gesamten kinetischen Energie der Moleküle.

Temperaturmessung und Skalen

Die Temperatur ist ein Maß für die kinetische Energie der Moleküle eines Körpers. Wenn ein heißer Körper auf eine Kaltfront trifft, bemerken wir im Laufe der Zeit, dass sich beide angleichen, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen.

Quecksilber (Mercury) befindet sich in einem Kapillarröhrchen im Inneren einer Glasbirne; es dehnt sich bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. Die Temperaturskala reicht von -39 °C bis 357 °C. Alkohol ermöglicht Temperaturaufzeichnungen von -39 °C bis -130 °C, während Toluol (Tolueno) von -130 °C bis ins Unendliche reicht.

• Fahrenheit-Skala: Im Jahr 1914 baute er das erste Thermometer. Er legte die niedrigere Temperatur (Mischung aus Eis und Ammoniumchlorid) bei 32 °F fest, während 212 °F den Siedepunkt markiert.
• Celsius-Skala: Im Jahr 1742 wurde diese Skala am Schmelzpunkt von Eis (0 °C) und dem Siedepunkt von Wasser (100 °C) bei einem atmosphärischen Druck von 760 mm ausgerichtet und in 100 Teile geteilt.
• Kelvinskala: Der absolute Nullpunkt der Temperatur, an dem die kinetische Energie der Moleküle gleich Null ist, entspricht -273 °C (273 K). Es gibt keine Obergrenze.

Wärmekapazität und spezifische Wärme

Die Wärmekapazität ist definiert als die Beziehung zwischen der aufgenommenen Wärme und der Temperaturvariation. Es ist offensichtlich, dass ein Stoff umso mehr Wärme benötigt, um seine Temperatur zu erhöhen, je höher der Wert der Wärmekapazität ist. Die spezifische Wärme ist definiert als die Wärmekapazität geteilt durch die Masse.

Ausdehnung von Körpern

Die meisten Körper dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen, wobei Gase sich stärker ausdehnen als Feststoffe. Die Längenausdehnung eines Metallstabs beim Erhitzen führt zu einer Erhöhung in seinen drei Dimensionen. Die Ausdehnung (Zunahme der Länge) steht im Verhältnis zur ursprünglichen Länge von 1 m, wenn die Temperatur um 1 °C steigt.

Bei der Flächenausdehnung vergrößert sich eine Fläche proportional. Die Differenz zur linearen Dilatation besteht darin, dass hier eine Zunahme der Fläche erfolgt. Volumenausdehnung bedeutet die Vergrößerung eines Körpers in den Dimensionen Länge, Breite und Höhe, was zu einer Erhöhung des Volumens führt. Der kubische Ausdehnungskoeffizient ist die Zunahme des Volumens eines Objekts pro Volumeneinheit.

Besonderheiten und Phasenübergänge

Die unregelmäßige Ausdehnung von Wasser zeigt, dass es sich mit steigender Temperatur ausdehnt, es gibt jedoch Substanzen, die sich stattdessen zusammenziehen. Bei der Ausdehnung von Gasen und Dämpfen variiert das Volumen bei konstantem Druck pro Grad Celsius um 1/273 des Volumens bei 0 °C.

Schmelzwärme: Wenn ein Stoff schmilzt oder verdampft, absorbiert er latente Wärme; dieser Begriff bedeutet "versteckt". Fühlbare Wärme ist die Wärme, die die Temperatur einer Substanz erhöht. Die Schmelzwärme ist die Energie, die für eine Änderung des physikalischen Zustands ohne Temperaturvariation erforderlich ist. Es ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 g eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen.

Die Verdampfungswärme oder latente Kondensationswärme tritt bei einem bestimmten Druck auf. Die Verdampfungswärme eines Stoffes ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 g der siedenden Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln.