Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

? Antwort auf die Eingangsfrage Wie kann ein Heißluftballon aufsteigen und sich durch die Luft bewegen? Heißluftballone haben eine etwa kugelförmi- ge Ballonhülle, an der ein Korb für Gasbrenner, Gasbehälter und Insassen hängt. Die Hülle fasst ein Volumen zwischen 3 000 und 5 000m 3 . Während der Fahrt sorgt der Gasbrenner für Heißluft, die Luft im Ballon hat etwa 90 °C . Nehmen wir ein Volumen von 4 000m 3 an und überlegen uns, welche Last der Ballon tragen kann. Das Prinzip des Archimedes für den Auftrieb in Flüssigkeiten gilt natürlich auch in Gasen: Die Auftriebskraft entspricht dem Gewicht der verdrängten Luftmenge. Wenn das Gewicht des Ballons mit Nutzlast klei- ner als der Auftrieb ist, kann der Ballon aufsteigen. Zunächst berechnen wir, wie viel Luft der gefüllte Ballon bei einer angenommenen Lufttemperatur von 20 °C ver- drängt. Die Dichte der Luft beträgt 1,2 kg/m 3 bei einer Tem- peratur von 20 °C . Das Volumen von 4 000m 3 entspricht einer Luftmenge von 4 800 kg . Die Masse des Ballons mit Heißluft und Nutzlast muss daher kleiner als 4 800 kg sein. Wie groß ist die Luftdichte bei 90 °C und bei normalem Luft- druck von 1013mbar ? Aus Tab. 82.1 kann man ablesen, dass sich Gase ungefähr um den Faktor 0,00367 pro Grad bei Erwärmung ausdehnen. Die relative Volumenzunahme von Luft bei der Erwärmung von 20 °C auf 90 °C beträgt daher 70 · 0,00367 ≈ 0,257 . Aus 1 m 3 Luft bei 20 °C werden 1,257m 3 bei 90 °C und einem Luftdruck von 1013mbar . Daher sinkt die Dichte der Luft bei 90 °C auf 1,2/1,257kg/m 3 ≈ 0,955 kg/m 3 . Die Heißluft im Ballon hat da- her eine Masse von 4 000m 3 · 0,955 kg/m 3 ≈ 3 820 kg . In unserem Beispiel kann der Ballon daher eine Last von ca. (4800 – 3820) kg ≈ 980 kg tragen. Diese setzt sich zusammen aus Ballonhülle, Ausrüstung und Insassen. Ein großer Nachteil aller Ballone ist die geringe Steuer- möglichkeit, sie sind vom Wind abhängig. Erfahrene Ballon- fahrer nutzen aus, dass Luftströmungen in verschiedenen Höhen unterschiedliche Richtung haben können. Der Heißluftballon wurde von den Brüdern M ONTGOLFIER in Frankreich erfunden. Im September 1783 beeindruckten sie den französischen K ÖNIG L UDWIG XVI mit einem Ballonflug mit Tieren. Die erste bemannte Ballonfahrt fand am 21. No- vember 1783 statt und dauerte 25 Minuten. Am 1. Dezember 1783 gelang dem französischen Physiker J ACQUES C HARLES die erste Ballonfahrt mit einem Wasserstoff gefüllten Ballon, die ihn in über 3 000m Höhe brachte. Bis zum ersten erfolgreichen Gleitflug eines Apparats, der schwerer als Luft ist, durch den deutschen Flugpionier O TTO L ILIENTHAL im Jahr 1891, sollten noch mehr als 100 Jahre vergehen. Aufbauend auf Lilienthals Versuchen entwickel- ten die Brüder W RIGHT in USA das erste lenkbare Motorflug- zeug, dessen erfolgreicher erster Flug am 17. Dezember 1903 eine rasante Entwicklung einleitete. Gasgefüllte Ballone werden heute vor allem als Wetterballo- ne verwendet. 87.1 Heißluftballone müssen nicht „ballonförmig“ sein! Mit einem Ballonflug bis in 5 000m Höhe entdeckte der österreichische Physiker V IKTOR F. H ESS (Nobelpreis 1936) im Jahr 1912 die kosmische Strahlung (s. Physik 8). Teste dein Wissen W 1 Lösungen im Anhang 87.1 Worin unterscheidet sich ein heißer fester Körper von einem kalten? a) Durch die Stärke der thermischen Bewegung b) Durch das Volumen c) Durch den Druck 87.2 Was versteht man unter der Brown’schen Bewegung? a) Bewegung von Molekülen b) Bewegung von Atomen c) Bewegung von kleinen Teilchen durch Stöße von Molekülen 87.3 Welches Phänomen lässt sich durch die Wirkung der Molekular-Kräfte erklären? a) Oberflächenspannung b) Kapillarität c) Ionenbindung 87.4 Welche Aussage zur Temperaturmessung ist korrekt? a) Die Kelvinskala hat keine negativen Temperaturen. b) Die Basiseinheit der Temperatur ist das Grad Celsius. c) Der Nullpunkt der Celsiusskala liegt bei 273,15K. 87.5 Was ist mit der Äußerung gemeint, dass das Thermo- meter seine eigene Temperatur misst? 87.6 Was versteht man unter Wärme? a) Wärme ist die kinetische Energie der Moleküle. b) Wärme ist die gesamte Energie der Moleküle. c) Energie, die von einem heißen auf einen kalten Körper von selbst übergeht. 87.7 Welche Aussage zur Wärmeausdehnung ist korrekt? a) Feste Körper weisen nur eine Ausdehnung in der Länge auf. b) Flüssigkeiten dehnen sich nicht aus. c) Der Volumenausdehnungskoeffizient ist für alle Gase gleich groß. 87.8 Unter der Anomalie des Wassers versteht man: a) Ein nicht normales Verhalten beim Verdampfen b) Ein ungewöhnliches Verhalten beim Gefrieren c) Ein von der Norm abweichendes Verhalten bei der Temperatur von 4 °C 87 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv