Skript zur Vorlesung Physik Teil 1 (Sommersemester) und Teil 2 ...

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Skript zur Vorlesung Physik 1 und Physik 2 Seite 54 Prof. Dr. P. Kaul, Fachbereich Biologie Chemie und Werkstofftechnik, Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg stimmung des Tripelpunktes von Wasser auf 0,0098±0,00005K genau bestimmen, weswegen dieser heute als Fixpunkt verwendet wird. 4.1.2 Thermometer Es existieren verschiedene Möglichkeiten, Temperaturen zu messen. Ausgenutzt werden bei allen Verfah- ren die thermischen Eigenschaften der Körper, Flüssigkeiten und Gase. Beispielhaft seien hier die folgenden Thermometerarten aufgeführt: Ausdehnungsthermometer Hier wird die Volumenausdehnung verschiedener gasförmiger, flüssiger oder fester Körper ausgenutzt. Gebräuchlich sind hier Alkohol- und Quecksilberthermometer. Thermoelemente Werden zwei verschiedene Metalle miteinander in Kontakt gebracht, so entsteht an der Berührungsstelle eine temperaturabhängige Kontaktspannung. Widerstandsthermometer Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes kann zur Messung von Tempe- raturen genutzt werden. Dampfdruckthermometer Der Dampfdruck ist von der Temperatur abhängig. Diese Verfahren wird oft bei niedrigen Temperaturen angewandt (flüssig Stickstoff, Flüssig Helium) Strahlungsthermometer Die Intensität der Strahlung (IR oder Licht) sowie das Emissionsspektrum des Körpers ist von der Temperatur abhängig. Dieses verfahren wird meist bei höheren Temperaturen einge- setzt. Farbumschlag chemischer Stoffe Einige chemische Stoffe (Thermocolore) weisen bei Temperaturände- rung einen reversiblen Farbumschlag auf. 4.2 Verhalten von Körpern bei Temperaturänderungen 4.2.1 Feste Körper Feste Körper dehnen sich - bis auf wenige Ausnahmen - bei Temperaturerhöhungen aus. Die Ausdehnung der Körper ist von der Art des Stoffes abhängig. In erster Näherung ist die Ausdehnung eines festen Körpers linear von der Temperatur abhängig. Linearer Ausdehnungskoeffizient: Die relative Längenausdehnung eines Stabes mit der Länge l ist proportional zur Temperaturerhöhung, d.h. α ( ) ( 1 α Δ ) Δl = l − l = ⋅ l ⋅ T − T 2 1 1 1 2 1 ⇒ l = l ⋅ + ⋅ T 2 1 1 α wird linearer Längenausdehnungskoeffizient genannt. Die obige Beziehung gilt relativ genau in gewissen Temperaturbereichen.
Skript zur Vorlesung Physik 1 und Physik 2 Seite 55 Prof. Dr. P. Kaul, Fachbereich Biologie Chemie und Werkstofftechnik, Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Bei genaueren Messungen können statt des linearen Zusammenhangs zusätzlich noch quadratische Terme berücksichtigt werden. Diese Gesetzmäßigkeit ist genauer, wenn ein Temperaturbereich von mehreren hun- dert Grad Celsius abgedeckt werden soll. 2 ( ) l = l 1+ α ⋅ T + β ⋅ T + ... , T = 0° C 0 0 β ist gegenüber α sehr klein, z.B. gilt für Platin: α = 9 10 -6 1/K, β = 4,9 10 -9 1/K 2 . Volumenausdehnungskoeffizient: Unter der Annahme, dass sich der Körper in allen drei Raumrichtungen in gleicher Weise bei Temperaturer- höhung ausdehnt, kann für die drei Raumrichtungen angesetzt werden: ( 1 α Δ ) , ( 1 α Δ ) , ( 1 α Δ ) X = X + ⋅ T Y = Y + ⋅ T Z = Z + ⋅ T 0 0 0 Dann berechnet sich das Volumen des Körpers zu ( ) ( ) ( ) V = X ⋅ Y ⋅ Z = X 1+ α ⋅ ΔT ⋅ Y 1+ α ⋅ ΔT ⋅ Z 1+ α ⋅ ΔT 0 0 0 3 ( ) ( ) = V 1+ α ⋅ ΔT ≈ V 1+ 3α ⋅ ΔT 0 0 wenn die höheren Terme in α vernachlässigt werden. Die Ausdehnung fester Körper bei Temperaturerhöhung muss bei der Konstruktion technischer Anlagen berücksichtigt werden, z.B. • Lücken in den Betonplatten bei Autobahnbelägen • Ausgleichskurven bei Rohranlagen chemische Anlagen oder bei der Erdölproduktion • Maßnahmen bei der Verlegung von Eisenbahnschienen • Lösen von ineinander gesteckten Verbindungen durch Erwärmen der einen Verbindung Bimetallstreifen: Zwei Metallstreifen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten werden aufeinandergewalzt. Eine Tem- peraturänderung führt dazu, dass die Streifen sich unterschiedlich ausdehnen, wodurch sich der Streifen krümmt. Anwendungen z.B. als elektrische Temperaturschalter bzw. Temperaturregler. 4.2.2 Flüssigkeiten Bei Flüssigkeiten tritt bei Erwärmung stets eine Volumenänderung auf, da Flüssigkeiten keine Vorzugsrich- tung besitzen. Es gilt daher: ( 1 γ Δ ) V = V + ⋅ T 0 wobei γ der Volumenausdehnungskoeffizient ist. Temperaturabhängigkeit der Dichte Wegen der Volumenausdehnung bei Temperaturerhöhung ändert sich auch die Dicht der Flüssigkeit:
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