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Thermometer

Thermometer sind Messgeräte zur Bestimmung der Temperatur. Es gibt eine Vielzahl von Thermometerarten und Bauformen. Sie arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und haben je nach Verwendungszweck unterschiedliche Messbereiche und verschiedene Messgenauigkeiten. Am weitesten verbreitet sind heute Flüssigkeitsthermometer und elektronische Thermometer.

Henry Le Chatelier

* 08.10.1850 in Paris
† 17.09.1936 Miribelle-Echelles

HENRY LE CHATELIER war ein französischer Chemiker und Ingenieur. Berühmt wurde er durch seine Untersuchungen zum chemischen Gleichgewicht. Er formulierte die Bedingungen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts und das Prinzip des kleinsten Zwangs. Dieses besagt, dass sich das chemische Gleichgewicht einem äußeren Zwang immer so entzieht, dass die Wirkungen des äußeren Zwangs verkleinert werden.
Obwohl das Prinzip von LE CHATELIER nur qualitative Schlussfolgerungen zur Lage des chemischen Gleichgewichts zulässt, ist es speziell für Gleichgewichtsreaktionen in der chemischen Industrie von herausragender wirtschaftlicher Bedeutung.

Bedingungen für Reaktionen

Chemische Reaktionen laufen in unserer Umgebung ständig ab, allerdings nur, wenn bestimmte Voraussetzungen und Bedingungen vorhanden sind. Sonst wäre es nicht zu verstehen, warum man Knallgas unter der Beachtung vorgeschriebener Sicherheitsvorkehrungen herstellen und auch eine Weile aufbewahren kann, warum eine Kerze im geschlossenen Raum erlischt, warum Metallteile in bestimmten Gegenden schneller rosten und warum man Zucker im Gemisch mit ein wenig Zigarettenasche entzünden kann.

Reaktionsgeschwindigkeit

Zu einer chemischen Reaktion kommt es, wenn Teilchen der Ausgangsstoffe wirksam zusammenstoßen. Je schneller sich die Konzentration der reagierenden Ausgangsstoffe ändert, umso höher ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion.

Ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Änderung der Konzentration der reagierenden Ausgangsstoffe in einer bestimmten Zeit.

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von der Temperatur und der Konzentration der Ausgangsstoffe abhängig. Sie wächst sowohl mit steigender Temperatur als auch mit steigender Konzentration der Ausgangsstoffe.

RGT-Regel

Je höher die Temperatur ist, desto schneller verlaufen chemische Reaktionen. Die RGT-Regel ist eine Faustregel, die für fast alle chemischen und physiologischen Reaktionen anwendbar ist. Sie besagt, dass sich bei einer Temperaturerhöhung um 10 K die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bis vervierfacht. Die Stoßtheorie beschreibt die Gründe dieser Regel.

Gasgesetze

Der Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur eines idealen Gases wird durch die Gasgesetze von ROBERT BOYLE und EDME MARIOTTE sowie JOSEPH LOUISE GAY-LUSSAC und AMONTONS beschrieben. Fasst man diese Gesetzmäßigkeiten zusammen, dann erhält man eine Zustandsgleichung des idealen Gases. Diese auch als universelle Gasgleichung bezeichnete Beziehung kann für stöchiometrische Berechnungen genutzt werden, da sich viele reale Gase annähernd wie ideale Gase verhalten.

Zonierung eines Gewässers

Ein See besteht aus verschiedenen Zonen, die jede einen eigenen Lebensraum bilden. Diese Lebensräume bieten für Organismen jeweils unterschiedliche Lebensbedingungen.

Gasgesetze und die Zustandsgleichung für ideale Gase (universelle Gasgleichung)

Der Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur eines idealen Gases wird durch die Gasgesetze von ROBERT BOYLE und EDME MARIOTTE sowie JOSEPH LOUISE GAY-LUSSAC und AMONTONS beschrieben. Fasst man diese Gesetzmäßigkeiten zusammen, dann erhält man eine Zustandsgleichung des idealen Gases. Diese auch als universelle Gasgleichung bezeichnete Beziehung kann für stöchiometrische Berechnungen genutzt werden, da sich viele reale Gase annähernd wie ideale Gase verhalten.

Internationales Einheitensystem (SI)

Im Internationalen Einheitensystem (SI) sind Basiseinheiten für sieben physikalische Größen festgelegt. Die meisten anderen Einheiten lassen sich aus diesen sieben Einheiten ableiten. Die Festlegungen über Einheiten sind international vereinbart und werden von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) getroffen. Als verbindliche Basiseinheiten wurden auf der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahre 1960 folgende sieben Einheiten festgelegt:

das Meter (1 m) als die Einheit der Länge bzw. des Weges,
das Kilogramm (1 kg) als Einheit der Masse,
die Sekunde (1 s) als Einheit für die Zeit,
das Ampere (1 A) als Einheit für die Stromstärke,
das Kelvin (1 K) als Einheit für die Temperatur,
das Mol (1 mol) als Einheit für die Stoffmenge,
die Candela (1 cd) als Einheit für die Lichtstärke

Absolute Entropien und der 3. Hauptsatz der Thermodynamik

Am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala kommt jegliche thermische Bewegung zur Ruhe. An diesem Punkt ordnen sich theoretisch alle Teilchen in wohldefinierten Positionen zu einer regelmäßigen Struktur an, einem perfekten Kristall. Für einen solchen Kristall wird die Entopie, als „Maß der Unordnung“ gleich Null gesetzt.
Diese Erkenntnis ist im 3. Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst. Er ermöglicht so die Bestimmung absoluter Entropien für jede Substanz. Außerdem besagt er, dass es praktisch unmöglich ist, experimentell den absoluten Nullpunkt der Temperatur zu erreichen.

William Thomson (Lord Kelvin)

* 26.06.1824 in Belfast (Irland)
† 17.12.1907 in Nethergall (Schottland)

Thomson war ein britischer Physiker, der sich mit Naturphilosophie und Physik befasste. Er begründete die klassische Thermodynamik und definierte den Begriff der absoluten Temperatur. Die KELVIN- Temperaturskala stammt von ihm. In der Chemie forschte er auf dem Gebiet der Galvanik und schuf einen Vorläufer des Atommodells von RUTHERFORD und BOHR.

Henry Le Chatelier – der Mann und das Prinzip

* 08.10.1850 in Paris
† 17.09.1936 in Miribelle-Echelles

HENRY LE CHATELIER war ein französischer Chemiker und Ingenieur. Berühmt wurde er durch seine Untersuchungen zum chemischen Gleichgewicht. Er formulierte die Bedingungen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts und das Prinzip des kleinsten Zwangs. Dieses besagt, dass sich das chemische Gleichgewicht einem äußeren Zwang immer so entzieht, dass die Wirkungen des äußeren Zwangs verkleinert werden.
Obwohl das Prinzip von LE CHATELIER nur qualitative Schlussfolgerungen zur Lage des chemischen Gleichgewichts zulässt, ist es speziell für Gleichgewichtsreaktionen in der chemischen Industrie von herausragender wirtschaftlicher Bedeutung.

Johann Heinrich Lambert

* 26. August 1728 Mülhausen (Mulhouse)
† 25. September 1777 Berlin

JOHANN HEINRICH LAMBERT war Mitglied der Berliner Akademie der Wissenschaften. Seine Arbeiten auf mathematischem Gebiet beschäftigten sich u.a. mit der Irrationalität der Zahl $π$ , den hyperbolischen Funktionen sowie dem euklidischen Parallelenaxiom.

Grundgleichung der kinetischen Gastheorie

Teilchengrößen wie die Teilchenanzahl, die Geschwindigkeit der Teilchen oder ihre kinetische Energie sind eng mit solchen Größen wie Volumen, Druck und Temperatur verbunden. Die Zusammenhänge lassen sich aus kinetisch-statistischer Sicht herleiten und führen zur sogenannten Grundgleichung der kinetischen Gastheorie, die man in unterschiedlicher Form angeben kann, beispielsweise folgendermaßen:

$\begin{array}{l} p \cdot V = \frac{2}{3} \cdot N \cdot {\bar{E}}_{kin} \\ p \cdot V = N \cdot k \cdot T \\ p \cdot V = \frac{1}{3} \cdot N \cdot m \cdot \bar{v^{2}} \end{array}$

Die Interpretation dieser Grundgleichung in ihren verschiedenen Formulierungen führt zu wichtigen Zusammenhängen zwischen Zustandsgrößen eines thermodynamischen Systems und Teilchengrößen.

Isobare Zustandsänderungen

Bei einer isobaren Zustandsänderung eines Gases bleibt der Druck konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm ist eine Parallele zur V-Achse. Ein solcher Prozess kann realisiert werden, wenn dem Gas eine Wärme Q zugeführt wird. Damit dabei der Druck konstant bleibt, muss von dem Gas gleichzeitig Volumenarbeit verrichtet werden. Die zugeführte Wärme Q erzeugt bei einer isobaren Zustandsänderung eine Änderung der inneren Energie und des Volumens. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich die Bilanz:

$Q = Δ U - W$

Bei Verwendung des Modells des idealen Gases erhöht die zugeführte Wärme Q die innere Energie U des Gases und verrichtet Volumenarbeit.

Isochore Zustandsänderungen

Bei einer isochoren Zustandsänderung eines Gases bleibt das Volumen konstant. Die Zustandskurve im p-V-Diagramm verläuft vertikal, parallel zur p-Achse. Ein solcher Prozess wird realisiert, wenn Gas in einem geschlossenen Behälter erwärmt wird. Die zugeführte Wärme führt zu einer Erhöhung der Temperatur und damit zu einer Änderung der inneren Energie U. Da das Volumen konstant bleibt, wird von dem Gas keine Arbeit verrichtet. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist damit die zugeführte Wärme gleich der Änderung der inneren Energie des Gases:

$Q = Δ U$

Bei Verwendung des Modells ideales Gas erhöht die zugeführte Wärme die inneren Energie des Gases bei einem isochoren Prozess um:

$\begin{array}{l} Δ U = \frac{3}{2} N \cdot k \cdot Δ T \\ N Anzahl der Teilchen \\ k BOLTZMANN-Konstante \\ Δ T Temperaturdifferenz \end{array}$

Daraus lässt sich die molare Wärmekapazität eines idealen Gases bei konstantem Volumen berechnen.

Nullter Hauptsatz der Thermodynamik

Das Streben nach thermischem Gleichgewicht durch Temperaturausgleich ist charakteristisch für thermodynamische Systeme. Es wird heute oft als nullter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet, da diese Eigenschaft thermodynamischer Systeme Grundlage für viele Temperaturmessungen ist. Dieser Hauptsatz lautet:

Werden zwei thermodynamische Systeme (Körper) miteinander in Kontakt gebracht, so gleichen sich ihre Temperaturen in endlicher Zeit aus.

Die gleiche Temperatur bleibt auch nach der Trennung der Systeme erhalten, wenn keine Wärmeübertragung zwischen Systemen und Umgebung erfolgt.

Schmelzen und Erstarren

Als Schmelzen bezeichnet man den Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand, als Erstarren den umgekehrten Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. Dabei gilt:

Schmelztemperatur und Erstarrungstemperatur sind gleich groß. Sie hängen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
Schmelzwärme und Erstarrungswärme sind für einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich groß.

Adiabatische Zustandsänderungen

Eine adiabatische Zustandsänderung ist dadurch gekennzeichnet, das bei dem Prozess keine Wärme mit der Umgebung (Q = 0) ausgetauscht wird. Dies kann bei allen schnell ablaufenden thermodynamischen Vorgängen angenommen werden. Charakteristisch für adiabatische Vorgänge ist, dass sich alle drei Zustandsgrößen Temperatur, Druck und Volumen gleichzeitig ändern. Die Adiabate im p-V-Diagramm verläuft daher steiler als Isothermen und schneidet diese.
Zu unterscheiden ist zwischen einer adiabatischen Expansion und einer adiabatischen Kompression. Die Energiebilanzen ergeben sich aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Für das Modell ideales Gas kann die Adiabate p = p(V) berechnet werden. Es ergeben sich die poissonschen Gesetze.

Grundlagen der Baustatik: Statik, Lasten, Spannungsformen

Statik und Festigkeitslehre bilden die wissenschaftlichen Grundlagen der Bautechnik.

Klang: Physikalische Aspekte

Auf dem Gebiet des Klanges gibt es eine starke Verbindung von Musik und Physik. Ausgangspunkt der Betrachtung ist dabei die sogenannte Obertonreihe, welche beschreibt, dass ein Klang sich aus mehreren Einzeltönen aufbaut, die in bestimmten physikalischen Zusammenhängen stehen.

Die wohl wichtigste Obertonreihe ist die Naturtonreihe, die sich aus Obertönen zusammensetzt, welche von der Frequenz her ein ganzzahlig Vielfaches des Grundtones bilden. Dadurch ist der Bau einer ganzen Reihe von Instrumenten überhaupt erst möglich. Auch die Spieltechnik baut darauf auf.

Ebenfalls mit der Physik im Bereiche kleinster Frequenzunterschiede hat man es beim Stimmen von Instrumenten zu tun. Verschiedene Stimmungen wurden über die Jahrhunderte verwendet, keine aber hat nur klangliche Vorteile.

Gewässer, Zonierung

Ein See besteht aus verschiedenen Zonen, die jede einen eigenen Lebensraum bilden. Diese Lebensräume bieten für Organismen jeweils unterschiedliche Lebensbedingungen.

Abiotische Umweltfaktoren

Umweltfaktoren sind die Faktoren, die aus der nicht lebenden und lebenden Umwelt direkt oder indirekt auf ein Lebewesen einwirken.

Es werden abiotische und biotische Umweltfaktoren unterschieden.

Abiotische Umweltfaktoren sind Faktoren der nicht lebenden Umwelt, die auf ein Lebewesen einwirken, z.B. Klima- und Bodenfaktoren. Sie beeinflussen den Stoff- und Energiewechsel, die Entwicklungsvorgänge sowie die Verhaltensreaktionen von Organismen.

Wissenstest 13 - Rund um die Ökologie

Hier kannst du dich selbst testen. So kannst du dich gezielt auf Prüfungen und Klausuren vorbereiten oder deine Lernerfolge kontrollieren.

Multiple-Choice-Test zum Thema "Biologie - Pflanzen und Tiere im Ökosystem".

Viel Spaß beim Beantworten der Fragen!