Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Atome als Bausteine der Materie Atome bestehen aus positiv geladenem Kern (positiv gelade- ne Protonen und neutrale Neutronen) und negativ geladener Hülle (Elektronen). Der Kern enthält praktisch die Gesamt- masse des Atoms. Jedes chemische Element (Ordnungszahl Z ) besteht aus Atomen mit Z Protonen im Kern und Z Elekt- ronen in der Hülle; Atomsorten eines Elements mit unter- schiedlich vielen Neutronen heißen Isotope. Kernladungszahl Z = Zahl der Protonen = Zahl der Elektro- nen = Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente. Atomare Masseneinheit u: 1 u = 1,66 · 10 −27 kg (1 u = 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C) Die Masse von Atomen und Molekülen wird in Vielfachen (relative Atommasse A r bzw. Molekülmasse M r ) von u ange- geben. Z. B. relative Molekülmasse von H 2 O : M r = 1 +1 +16 = 18 . 1 Mol einer Substanz besteht aus 6 · 10 23 Teilchen und enthält M r Gramm der Substanz. Atomradius: einige 10 –10 m . Kernradius: einige 10 –15 m Elektrische Kräfte wirken zwischen Atomen und Molekülen und bestimmen die Eigenschaften von festen Körpern, Flüs- sigkeiten und Gasen: a Ionenbindung : Ionenkristalle (z. B. NaCl ) bestehen aus regelmäßig angeordneten positiven und negativen Ionen. b Metallbindung: Zwischen positiv geladenen Ionen bewe- gen sich Elektronen wie ein Gas („Elektronengas“). Sie kom- pensieren die gegenseitige Abstoßung der Ionen und leiten elektrischen Strom. c Atombindung: In Molekülen (z. B. H 2 ) und manchen Kris- tallen (z. B. Diamant) werden die Atome durch gemeinsame Elektronenpaare gebunden. d Zwischenmolekulare Bindungen (Wasserstoffbrücken, van-der-Waals-Bindung): In den Elektronenhüllen der Moleküle ist die Ladung ent- weder dauernd oder kurzzeitig ungleichmäßig verteilt. Da- durch wirken zwischen den Molekülen anziehende elektri- sche Kräfte, die z. B. für den Zusammenhalt von Festkörpern und Flüssigkeiten (Oberflächenspannung, Kohäsion) und Adhäsion verantwortlich sind. Absolute Temperatur Die absolute Temperatur T ist ein Maß für die ungeordnete thermische Bewegung der Atome und Moleküle. T wird in Kelvin ( K ) gemessen: T = θ + 273,15 K , wobei θ die in °C gemessene Temperatur ist. Die thermische Bewegung hört am absoluten Nullpunkt (0 K = −273,15 °C ) auf. Die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines Körpers ist proportional zur absoluten Temperatur des Körpers: äääääää mv 2 _ 2 = 3 _ 2 kT ( k = 1,38 · 10 −23 J/K , Boltzmann-Konstante) Fast immer dehnen sich Körper beim Erwärmen aus. Aus- nahme: Anomalie des Wassers. Der Energietransport zwischen Körpern unterschiedlicher Temperatur erfolgt durch Wärmeleitung , Konvektion und Strahlung . Die transportierte Energie wird als Wärme Q bezeichnet. Verhalten idealer Gase Das Verhalten von Gasen wird weitgehend durch das Modell des idealen Gases beschrieben: Die Teilchen eines idealen Gases besitzen im Vergleich zum mittleren Abstand eine verschwindend kleine Ausdehnung und üben unter einander Kräfte nur durch elastische Stöße aus. Für Druck p , Volumen V und Temperatur T eines idealen Ga- ses gilt die allgemeine Zustandsgleichung p · V = N · k · T = n · R · T R = 8,314 J/(mol · K) … allgemeine Gaskonstante, N … Zahl der Moleküle, n … Stoffmenge in mol Zustandsänderungen und Phasenübergänge Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie zur Erwärmung eines Körpers pro kg und pro K gebraucht wird. Auch Schmelzen und Verdampfen erfordert Energiezufuhr, die Schmelz- bzw. Verdampfungswärme , die beim Erstar- ren bzw. Kondensieren wieder frei wird. Über einer Flüssigkeit bildet sich in einem geschlossenen Gefäß gesättigter Dampf . Sein Druck steigt mit wachsender Temperatur. Die Siedetemperatur hängt vom herrschenden Druck ab (Dampfdruckkurve). Oberhalb der kritischen Temperatur existiert nur noch die Gasphase. Nahe dem Phasenübergang flüssig-gasförmig kann das Mo- dell des idealen Gases nicht angewendet werden. Zwischen den Teilchen wirken starke Kräfte: anziehend bei größeren Abständen, abstoßend bei kleinen Abständen. Energie und Entropie Die innere Energie U ist die gesamte Energie eines thermo- dynamischen Systems. Sie umfasst die kinetische Energie der Wärmebewegung, zusätzlich bei mehratomigen Mole- külen die Energie der Rotation und inneren Schwingungen der Moleküle, und bei Festkörpern, Flüssigkeiten und realen Gasen die Wechselwirkungsenergie zwischen den Mole- külen. Erster Hauptsatz der Wärmelehre Die innere Energie U eines Körpers kann durch Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme Q und Arbeit W verändert werden: Δ U = Q + W Die Entropie S ist eine weitere Funktion, die den Zustand eines thermodynamischen Systems charakterisiert. Sie be- stimmt die Richtung von thermodynamischen Prozessen (Temperaturausgleich, gleichmäßige Verteilung von Gasmo- 131 | Zusammenfassende Übersicht Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verl gs öbv