Übung

U N I V E R S I T A S
S A R A V I E N S I S
Elementare Einführung in die Physik II
– SS 2009 –
3. Übung – 13. Mai 2009
PD Dr. Patrick Huber
Bau E26 Zi. 3.23
T +49 (681) 302 3944
v +49 (681) 302 4676
k p.huber@physik.uni-saarland.de
Aufgabe 9: Gasthermometer
Das vielleicht einfachste Thermometer ist das Gasthermometer. Trotz seiner hohen Empfindlichkeit
findet es leider kaum noch Verwendung (außer in Physikklausuren und auf Übungsblättern).
Ein Quechsilberpfropf (Dichte ρ = 13, 55 g
cm 3 ) der Länge l = 10 mm begrenze in einem einseitig fest
verschlossenen Glasrohr mit der inneren Querschnittsfläche A = 5 mm 2 eine bestimmte Menge an
Stickstoffgas, das Sie als ideales Gas betrachten dürfen.
a) Das Gasthermometer sei zunächst waagerecht angeordnet (linke Abbildung). Bei der Temperatur
T0 = 295 K und dem Außendruck 980 hPa betrage dann die Länge h0 des eingeschlossenen
Gasvolumens 50 cm. Berechnen Sie die Anzahl N der eingeschlossenen Stickstoffmoleküle!
b) Nun wird das Rohr aufgerichtet (rechte Abbildung). Bestimmen Sie die neue Höhe h1 des
Gasvolumens bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen!
c) In der vertikalen Stellung wird nun das Gas auf T2 = 373 K aufgeheizt. Berechnen Sie die sich
dann einstellende Höhe h2 des Gasvolumens!
l
Hg N2
h0
Hg
l
N2 h1

Aufgabe 10: Wärmeleitung
Nehmen Sie an, ein heißes Reservoir mit der Temperatur TH werde über eine Wärmebrücke aus
einem bestimmten Material mit der Querschnittsfläche A und der Dicke l an ein kaltes Reservoir
mit der Temperatur TK gekoppelt. Dann ist der Wärmestrom PQ (also die pro Zeiteinheit ∆t vom
heißen Reservoir über die Wärmebrücke zum kalten Reservoir transportierte Wärmemenge ∆Q)
PQ = ∆Q
∆t = λ A TH − TK
,
l
wobei λ die Wärmeleitfähigkeit des Materials sei.
Nun ersetzen wir die Wärmebrücke durch eine Verbundplatte, also aus zwei in Serie geschalteten
Platten aus unterschiedlichen Materialien mit den jeweiligen Wärmeleitfähigkeiten λ1 und λ2 bzw.
Dicken l1 und l2 (siehe Abbildung). Ihre Querschnittsflächen seien identisch. An der Grenzfläche
beider Materialien stelle sich nach einer gewissen Zeit die konstante Temperatur TX ein.
TH
l1
Q
TX
l2
1 2
Berechnen Sie die effektive Wärmeleitfähigkeit der Verbundplatte, also die Wärmeleitfähigkeit λeff
einer einzelnen Platte mit der Dicke L = l1 + l2, die denselben Wärmestrom wie die Verbundplatte
hindurch lässt! Betrachten Sie dazu zunächst separat den Wärmestrom PQ,1 durch Platte 1 und
PQ,2 durch Platte 2 und überlegen sie sich, wie PQ,1 und PQ,2 zusammenhängen müssen.
Aufgabe 11: Ladung im Quadrat
Betrachten Sie die in nebenstehender Abbildung dargestellte
Anordnung von Punktladungen in Form eines Quadrats.
Ermitteln Sie die horizontale und vertikale Komponente
der resultierenden Kraft auf die jeweiligen Ladungen.
q = 1, 0 · 10 −7 C; a = 5, 0 cm
Aufgabe 12: Voller Mond
Mit positiven Ladungen welchen gleichen Betrages müsste
man Erde und Mond bestücken, um die gravitative Anziehung
zwischen beiden gerade zu kompensieren? Welche
Masse an Wasserstoff trüge diese Ladung als Kernladung?
TK
+ q
-q
a
a a
a
+ 2q
2q
Besprechung in den Übungen der Woche vom 25.05.2009 zum 29.05.2009
http://aghuber.physik.uni-saarland.de/eep2/
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