Physikalische Größen und Einheiten

Inhalt:

Arbeit
Auftrieb
Druck
elektrische Arbeit
elektrische Ladung
elektrische Spannung
Energie
Erhaltungssätze
Geschwindigkeit
Gewicht
Impuls
Körper
Kraft
Leistung
Reibung
Temperatur
Wärme
Wärmekapazität
Wirkungsgrad

 


 

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Arbeit

Formelzeichen: W

das Produkt aus der an einem Körper angreifenden Kraft und dem in Kraftrichtung zurückgelegten Weg. Wirkt die Kraft F in Richtung des Weges s, so gilt für die Arbeit W:

schließen Kraft und Weg einen Winkel α ein, so gilt:

Arbeit wird in Joule gemessen (1 Joule = 1 Newtonmeter = 1 Wattsekunde).

Die elektrische Arbeit gibt an, wie viel elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird.

 

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Auftrieb

  1. Eine entgegen der Schwerkraft wirkende Kraft auf einen in eine Flüssigkeit oder ein Gas gebrachten Körper (statischer Auftrieb). Der Körper verliert dann scheinbar so viel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeits- oder Gasmenge wiegt (archimedisches Prinzip).
  2. Ein dynamischer Auftrieb entsteht, wenn sich ein Körper gegenüber dem umgebenden Medium bewegt. Damit eine der Schwerkraft entgegengesetzt wirkende Kraft entsteht, muss der Körper so gebaut sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an seiner Oberseite größer als an seiner Unterseite ist, wodurch der auf ihn wirkende Druck oben kleiner als unten wird. So ist z. B. jede Flugzeugtragfläche gebaut.

 

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Druck

Formelzeichen: p

das Verhältnis p der Kraft F zur Fläche A, auf die sie wirkt: p=F/A.

Da die Kraft vom 01.01.1978 an offiziell in Newton (N) gemessen wird (nicht mehr in Pond), sind zahlreiche Druckeinheiten auf diese Krafteinheit umgestellt worden. Dabei erhielt die Druckeinheit die neue Bezeichnung Pascal (Pa): 1 Pa = 1 N/m2. Bei Verwendung von 1 N/mm2 = 10 bar ≈ 0,1 kp/mm2 = 10 kp/cm2 ergeben sich dann rund 9,81fach ( ≈ 10fach) kleinere Zahlenwerte als bisher bei kp/cm2.

Der hydrostatische Druck ist der allseitig in einer Flüssigkeit herrschende Druck. Er nimmt mit der Tiefe zu, z. B. bei Wasser um rund 1 bar je 10 m.

Der Gasdruck wird durch den Aufprall vieler Gasmoleküle auf die Wände des Behälters erzeugt.

 

Druck: Umrechnungstabelle für Druckeinheiten

 

Pa

kp/m2

atm

Torr

at

bar

1Pa

1

1,01972.10-1

0,98692.10-5

0,75006.10-2

1,01972.10-5

10-5

1kp/m2

9,80665

1

0,96784.10-4

0,73556.10-1

10-4

0,980665.10-4

1atm

1,01325.105

1,03323.104

1

760

1,03323

1,01325

1Torr

1,33322.102

13,59510

1,31579.10-3

1

1,35951.10-3

1,33322.10-3

1 at = 1kp/cm2

0,980665.105

104

0,96784

735,559

1

0,980665

1bar

105

1,01972.104

0,98692

750,06

1,01972

1

 

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elektrische Arbeit

Formelzeichen: Wel

die von einem elektrischen Strom bei gegebener Spannung und Zeit geleistete Arbeit; kann in mechanische Arbeit, Licht, Wärme und chemische Arbeit umgewandelt werden; errechnet sich als Produkt aus Stromstärke, Spannung und Zeit und wird in Kilowattstunden gemessen.

 

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elektrische Ladung

die Menge der sich auf einem Körper befindenden oder ihm fehlenden Elektronen. Die elektrische Ladung ist feststellbar durch die Kraftwirkung, die sie auf eine andere elektrische Ladung ausübt (Coulomb). Man unterscheidet positive und negative Elektrizitätsmengen. Mangel an Elektronen: positive Ladung, Überschuss an Elektronen: negative Ladung. Ein elektrisch neutraler Körper enthält gleich große positive und negative elektrische Ladungen. Maßeinheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb.

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elektrische Spannung

Formelzeichen: U

Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten eines elektrischen Feldes, vom höheren zum niederen Potenzial gezählt. Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt.

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Energie

Formelzeichen: E

ursprünglich die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu leisten. So hat jeder Körper aufgrund seiner Lage und seiner Bewegung in Bezug auf andere Körper eine Lageenergie (potenzielle Energie: z. B. kann ein angehobenes Gewicht durch seinen Fall Arbeit leisten) und eine Bewegungsenergie (kinetische Energie: z. B. ein fahrendes Auto). R. Mayer entdeckte, dass diese mechanische Energie völlig in Wärme, eine andere Energieform, umgewandelt werden kann, und sprach den Satz von der Erhaltung der Energie aus. Heute definiert man Energie als eine messbare Größe, die auf verschiedene Weise in Erscheinung treten kann, deren Zahlwert aber immer gleich bleibt. So spricht man z. B. auch von elektrischer, magnetischer und Ruheenergie. Die Ruheenergie eines Teilchens ist seiner Masse m äquivalent, denn nach der Relativitätstheorie besteht zwischen beiden die Beziehung E = m c2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum ist. Die Ruhe- oder auch Masseenergie kann also in andere Energieformen, z. B. Wärme, umgewandelt werden und umgekehrt. Hierauf beruht z. B. die Gewinnung von Kernenergie. M. Planck entdeckte, dass ein Atom nicht stetig Energie in Form von Lichtstrahlung aufnehmen oder abgeben kann, sondern nur bestimmte Energiebeträge (Energiequanten), deren Größe von der Quantentheorie berechnet werden kann. - Die Maßeinheiten der Energie sind: Joule, Kilowattstunde und Elektronenvolt.

 

Energieeinheiten

Energieeinheiten: Umrechnungstabelle

 

J = Nm

kWh

kpm

kcal

eV

erg

1 J = 1 Nm

1

2,78.10-7

0,102

2,39.10-4

6,24.1018

107

1 kWh

3,60.106

1

3,67.105

859,85

2,25.1025

3,60.1013

1 kpm

9,81

2,72.10-6

1

2,34.10-3

6,12.1019

9,81.107

1 kcal

4186,8

1,16.10-3

426,94

1

2,61.1022

4,19.1010

1 eV

1,60.10-19

4,45.10-26

1,63.10-20

3,83.10-23

1

1,60.10-12

1 erg

10-7

2,78.10-14

1,02.10-8

2,39.10-11

6,24.1011

1

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Erhaltungssätze

grundlegende Sätze der Physik, die aussagen, dass in abgeschlossenen physikalischen Systemen gewisse Größen zeitlich konstant bleiben. Der wichtigste der Erhaltungssätze ist der von der Energie. Die Mechanik (auch die relativistische Mechanik und die Quantentheorie) kennt daneben für die Bewegung eines abgeschlossenen Systems von Teilchen, die gegenseitig Kräfte aufeinander ausüben, auf die aber von außen keine Kräfte mehr wirken, zwei weitere Erhaltungssätze: für den Impuls und für den Drehimpuls. Beide Größen bleiben sowohl dem Betrag als auch der Richtung nach unverändert.
Der Satz von der Erhaltung des Impulses ist gleichwertig dem sog. Schwerpunktsatz: Der Schwerpunkt eines abgeschlossenen Systems bewegt sich gradlinig mit konstanter Geschwindigkeit oder bleibt in Ruhe. - Der Erhaltungssatz der Masse aus der älteren klassischen Physik ist hingegen nur insofern gültig, als nach der Relativitätstheorie Masse eine Erscheinungsform der Energie ist.

Experimentell gesichert sind ferner die beiden Erhaltungssätze von der elektrischen Ladung und von der Zahl der Baryonen (der schweren Elementarteilchen).

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Geschwindigkeit

Formelzeichen: v

bei der Bewegung eines Körpers das Verhältnis (v) der zurückgelegten Wegstrecke (s) zu der hierzu benötigten Zeit (t). Als Formel: v = s/t.

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Gewicht

(besser: Gewichtskraft) die Kraft, die eine Masse infolge der Erdanziehung auf eine Unterlage ausübt.

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Impuls

Formelzeichen: I

die Bewegungsgröße eines Körpers, d. h. das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. In einem abgeschlossenen System, auf das keine Kräfte von außen wirken, bleibt der Gesamtimpuls, die Summe der Impulse der einzelnen Massen, zeitlich unverändert (Erhaltungssätze).

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Körper

allgemein ein makroskopisches System, das aus einer sehr großen Zahl von Molekülen oder Atomen besteht. Bei einem starren Körper verändert sich die räumliche Lage der Teilchen nicht, wie dies bei deformierbaren, elastischen, plastischen Körpern der Fall ist. Von den festen Körpern werden flüssige und gasförmige Körper unterschieden.

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Kraft

Formelzeichen: F

jede Größe, die den Bewegungszustand eines Körpers (d. h. seinen Impuls) nach Größe und/oder Richtung zu ändern bestrebt ist. Es gilt das Newton'sche Gesetz: Kraft = zeitliche Änderung der Bewegungsgröße = Masse Beschleunigung. Die Kraft ist ein Vektor (sie hat einen Betrag und eine Richtung). Das Produkt aus Kraftkomponente in Wegrichtung und zurückgelegtem Weg heißt Arbeit. Der Quotient aus der senkrecht auf eine Fläche wirkenden Kraft und dieser Fläche heißt Druck - Zwei oder mehrere Kräfte, die im selben Punkt eines Körpers angreifen, wirken insgesamt als resultierende Kraft; ihre Größe und Richtung ergeben sich aus dem Vektordiagramm der Kräfte: Man trägt die in jeder Richtung wirkende Kraft als Pfeil auf Papier auf, wobei die Länge des Pfeils der Größe der Kraft entspricht. Je zwei solcher Pfeile (Vektoren) bilden zwei Schenkel eines Parallelogramms (Kräfteparallelogramm), dessen Diagonale die für die beiden Kräfte resultierende Kraft nach Größe und Richtung angibt. Greifen 2 gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kräfte an verschiedenen Punkten desselben Körpers an, so bilden sie ein Kräftepaar, das keine fortschreitende, sondern eine Drehbewegung des Körpers verursacht. Die Beschleunigung der Drehbewegung ergibt sich als Produkt aus der Größe der Kraft und dem Abstand der beiden Angriffspunkte (Drehmoment, Kraftmoment). - Die Kraft, die auf einen Körper wirkt, der sich um einen außerhalb liegenden Punkt dreht, heißt Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Sie versucht, den Körper vom Drehzentrum zu entfernen, und muss durch eine zum Drehzentrum gerichtete Zentripetalkraft ausgeglichen werden (z. B. durch ein Seil, das den Körper im Zentrum festhält). - In der technischen Mechanik unterscheidet man äußere Kräfte, die eine Beschleunigung herbeiführen oder ihr entgegenwirken (z. B. Gewicht; Reibungs-, Trägheitswiderstand), und innere Kräfte, die nur Formänderungen bewirken (z. B. Kräfte auf Seile, Träger, Stabkräfte im Fachwerkbau). - Bei der gegenseitigen Anziehung zweier Massen ist die Gravitationskraft, bei der Anziehung zweier Ladungen die Coulomb'sche Kraft, bei der Anziehung zweier Nukleonen die Kernkraft wirksam.

Die Einheit der Kraft ist 1 Newton. Ein Newton (1 N) ist diejenige Kraft, die der Masse 1 kg die Beschleunigung 1 m pro s2 erteilt:

Amtlich unzulässig sind: 1 dyn = 10-5N; 1 kp (Kilopond) = 9,80665 N.

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Leistung

Formelzeichen: P

Arbeit pro Zeiteinheit; auch Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit. Als allgemeine internationale Leistungseinheit wird das Watt gebraucht. Die Einheit Pferdestärke (PS) ist amtlich nicht mehr zugelassen. In den angelsächsischen Ländern wird manchmal noch das HP (horse-power) benutzt: 1 HP = 745,70 W. - Die Dauerleistung eines Menschen beträgt rund 70 W.

 

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Reibung

Reibungskraft, die die Bewegung eines Körpers relativ zu einem anderen berührten Körper (äußere Reibung) oder die Bewegung von Teilen eines Stoffs gegeneinander (innere Reibung) zu hindern sucht. Bei festen Körpern wird die äußere Reibung hauptsächlich durch mikroskopisch kleine Unebenheiten der Oberfläche verursacht. Man unterscheidet: Haftreibung, die z. B. das Gleiten eines Körpers auf einer geneigten Ebene verhindert, sowie Gleit- und Rollreibung, die durch Reibungskoeffizienten und die Geschwindigkeit bestimmt sind. Die innere Reibung beruht auf Wechselwirkungskräften zwischen den einzelnen Molekülen; bei Flüssigkeiten heißt sie auch Viskosität. Unerwünschte Reibung hemmt z. B. Bewegungsabläufe; dabei wird mechanische Arbeit in Wärme umgesetzt (Reibungwärme). Unentbehrlich ist Reibung beim Bremsen eines Fahrzeugs, beim Schleifen, Feilen u. Ä. sowie beim Gehen und Fahren. Reibung wird durch geeignete Mittel vergrößert (z. B. Sand) oder verringert (z. B. Fette, Öle).

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Temperatur

eine Größe, die den Wärmezustand eines physikalischen Systems, z. B. eines Körpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases kennzeichnet. Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie des Systems. Je größer die Wärmebewegung der Teilchen, desto höher ist die Temperatur ( kinetische Gastheorie). Die Temperatur ist zu unterscheiden von der Wärme, einer Energieform. Sie wird gemessen mit Thermometern, mit Thermoelementen und (bei hohen Temperaturen) mit Strahlungsmessern. Der absolute Nullpunkt (0 K [Kelvin]) ist die kleinste überhaupt mögliche Temperatur; man kann ihn nur näherungsweise erreichen (Nernst'sches Wärmetheorem). In der Physik ist die "thermodynamische Temperaturskala" (Kelvinskala) gebräuchlich; im täglichen Leben hat sich die Celsiustemperaturskala durchgesetzt. In den USA werden Temperaturen überwiegend noch in Fahrenheit angegeben. In der Meteorologie versteht man unter Temperatur die Lufttemperatur.

 

Temperatur

Temperatur: Einheiten

Bezeichnung der Einheit

absoluter Nullpunkt

Gefrierpunkt des Wassers

Siedepunkt des Wassers

Kelvin (absolute Temperatur)

0

273,15

373,15

Celsius

-273,15

0

100

Fahrenheit

-459,67

32

212

Réaumur

-218,52

0

80

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Wärme

Formelzeichen: Q

eine Energieform; bis in das 19. Jahrhundert wurde die Wärme als ein gewichtsloser Stoff angesehen; erst J. R. von Mayer (1842), H. von Helmholtz, Graf Rumford und J. P. Joule erkannten, dass mechanische Energie in Wärme und Wärme in mechanische Energie umgewandelt werden können. - Nach der heutigen Ansicht ist die Wärme Bewegungsenergie von atomaren Teilchen; sie besteht z. B. bei Kristallen aus den Schwingungen der Atome gegeneinander, in Gasen und Flüssigkeiten aus der ungeordneten Bewegung von Molekülen oder Molekülgruppen, aus der Rotation der Moleküle und aus der gegenseitigen Schwingung (Oszillation) ihrer Atome. Die Wärmemenge wird in Joule gemessen.

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Wärmekapazität

Formelzeichen: C

der Quotient aus der einem Körper zugeführten Wärmemenge ΔQ und der dadurch verursachten Temperaturänderung ΔT:

Die Wärmekapazität wird in J/K gemessen. Die Wärmekapazität eines einheitlichen Körpers ergibt sich als Produkt aus seiner Masse und seiner spezifischen Wärmekapazität, einer Stoffkonstanten.

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Wirkungsgrad

in der Technik bei einer Energieumwandlung das Verhältnis der nutzbringend gewonnenen Energie zur aufgewendeten Energie. Beispiele: Wirkungsgrad einer Maschine, einer Lichtquelle, der Umwandlung von Wärme in Strom; bei einer Wärmekraftmaschine bedeutet Wirkungsgrad das Verhältnis der gewonnenen mechanischen Arbeit zu der Wärmemenge, die durch Verbrennung eines Brennstoffs zugeführt wurde.

 




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