Wärmelehre/Wellenlehre, Systemtechnik NTB, HTW Chur, Thomas Borer, 2013/14

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• eine Problemstellung selbstständig und in einer Gruppe diskutieren und bearbeiten können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse erarbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form zusammenfassen können.
• Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich dokumentieren können.
• physikalische Gesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
• die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
• eine einfachere Überschlagsrechnung ausführen können.
• einen experimentellen Aufbau skizzieren können.
• experimentelle Beobachtungen mit eigenen Worten beschreiben können.
• aus einem Experiment neue Erkenntnisse gewinnen können.
• einige physikalische Grundgesetze auswendig kennen: "Formeln im Kopf: Wärmelehre" und "Formeln im Kopf: Wellenlehre", siehe Moodle NTB

1. Der Begriff der Temperatur

• wissen, was mit dem Begriff "Temperatur" gemeint ist.
• die Definitionen der Celsius-Skala und der Kelvin-Skala kennen, und die Temperaturangaben von der einen in die andere Skala umrechnen können.
• die thermische Längenausdehnung von Festkörpern anhand von Tabellenwerken berechnen können.
• die thermische Volumenausdehnung von Festkörpern und Flüssigkeiten anhand von Tabellenwerten berechnen können.
• Beispiele von Materialeigenschaften kennen, die typischerweise eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen.
• die wichtigsten Thermometertypen kennen und deren Funktionsweise erklären können.

2. Die Zustandsgleichung idealer Gase

• wissen, was man unter einem idealen Gas versteht und für welche realen Gase dieses Modell eine gute Näherung darstellt.
• die physikalische Grösse Druck kennen, sowie die Basisgrösse für die Stoffmenge, deren Definition und deren Einheit im SI-System kennen.
• die allgemeine Zustandsgleichung für ideale Gase kennen und sie auf die Spezialfälle der isobaren, isothermen und isochoren Prozesse anwenden sowie den Verlauf dieser Zustandsänderungen in geeigneten Diagrammen veranschaulichen können.
• wissen, wie ein Gasthermometer funktioniert, und erklären können, wie man damit (im Falle eines idealen Gases) den absoluten Temperaturnullpunkt bestimmen kann.
• das Zustandekommen des Luftdrucks auf der Erdoberfläche erklären und mit Hilfe der Zustandsgleichung die Druckabnahme als Funktion der Höhe herleiten können (für den Fall, dass die Temperatur konstant ist).

3. Die Kinetik idealer Gase

• die Brown'sche Bewegung beschreiben können und deren Ursache kennen.
• das Zustandekommen des Gasdruckes auf mikroskopische Bewegungsvorgänge der Gasteilchen zurückführen können.
• erklären können, wie die Temperatur eines idealen Gases mit den Bewegungsgrössen der Gasteilchen zusammenhängt.
• wissen, was mit der Maxwell'schen Geschwindigkeitsverteilung gemeint ist, den Verlauf der Verteilung für verschiedene Temperaturen skizzieren und deren Eigenschaften erklären können.
• wissen, was mit der mittleren freien Weglänge gemeint ist, und deren Zusammenhang mit dem Druck und der Temperatur eines idealen Gases kennen.

4. Der Begriff der Wärme

• wissen, was mit dem Begriff "Wärme" gemeint ist, und den Unterschied zum Begriff "Temperatur" klar machen können.
• die Definitionen der Wärmekapazität eines Körpers und der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes kennen, und die für eine definierte Temperaturerhöhung eines Körpers benötigte Wärmemenge bestimmen können.
• das Grundprinzip der Kalorimetrie kennen, und einfache Aufgaben zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes lösen können.
• die typischen Grössenordnungen für die spezifische Wärmekapazität von festen und flüssigen Stoffen kennen.
• wissen, was die molare Wärmekapazität ist, und diese in die spezifische Wärmekapazität umrechnen können und umgekehrt.
• das Phänomen der Phasenübergänge und der dabei auftretenden latenten Wärme beschreiben und den Temperaturverlauf beim Aufheizen einer Stoffmenge unter Verwendung von Tabellenwerten berechnen können.

5. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik

• den 1. Hauptsatz der Thermodynamik kennen, die darin vorkommenden Grössen erklären und die Aussage interpretieren können.
• erklären können, was die innere Energie ist und wie gross diese für ein ideales 1-atomiges Gas ist.
• die molaren Wärmekapazitäten von Stoffen auf atomarer Basis erklären können, und begründen können, warum bei idealen Gasen Cp=Cv+R ist.
• die elementaren Zustandsänderungen kennen, diese mit ihren p-V-Diagrammen darstellen und deren Verlauf algebraisch beschreiben können.
• den Gleichverteilungssatz kennen und damit die molaren Wärmekapazitäten von 1-, 2- und 3-atomigen Gasen und idealen Festkörpern erklären können.

6. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik

• anhand von Beispielen erklären können, was reversible und irreversible Prozesse sind.
• wissen, was ein Kreisprozess ist und warum er für thermodynamische Maschinen wichtig ist.
• den Carnot-Prozess beschreiben können, die Energiebilanz über einen Zyklus aufstellen und daraus den Wirkungsgrad berechnen und dessen Bedeutung erläutern können.
• den 2. Hauptsatz der Thermodynamik kennen und interpretieren können.
• das Funktionsprinzip von Wärme-Kraft-Maschinen sowie Wärmepumpen und Kältemaschinen anhand von Energieflussdiagrammen erklären und deren ideal reversiblen (Carnot'schen) Wirkungsgrad angeben können.

7. Die Zustandsgleichung realer Gase

• wissen, worin der Unterschied zwischen den realen Gasen und dem Modell des idealen Gases besteht.
• die Van der Waals'sche Zustandsgleichung kennen, den Unterschied zur idealen Zustandsgleichung erklären und die zusätzlich vorkommenden Grössen interpretieren können.
• das typische p-V-Diagramm eine realen Gases skizzieren, den Verlauf der Isothermen begründen, die Bedeutung des kritischen Punktes erklären und Konsequenzen für das Verhalten realer Gase ableiten können.
• erklären können, wie der Sättigungsdampfdruck über einer Flüssigkeit zustande kommt.
• die verschiedenen Grössen zur Angabe der Luftfeuchtigkeit kennen.
• wissen, was der Tripelpunkt eines Gases ist, und die spezielle Rolle des Tripelpunktes von Wasser kennen.

8. Grundbegriffe der Wellenlehre / 1

• wissen, was man unter einer Schwingung versteht, und den Begriff der harmonischen Schwingung kennen.
• die physikalischen Voraussetzungen für die Entstehung einer Schwingung kennen, und die Schwingungsgleichung ableiten können.
• die beiden Definitionen einer Welle kennen.
• wissen, wie die Periodendauer, die Wellenlänge und die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle zusammenhängen.
• den Begriff der Phase kennen, und wissen, wie Phasenverschiebungen zwischen Wellen zustande kommen.

9. Grundbegriffe der Wellenlehre / 2

• den Unterschied zwischen Transversal- und Longitudinalwellen kennen, und wissen, was man unter der linearen Polarisation versteht.
• die Wellengleichung kennen.
• wissen, wie man mit Hilfe der Wellengleichung die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Longitudinalwelle berechnet (am Beispiel der Schallgeschwindigkeit im Festkörper).
• wissen, von welchen Parametern die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Wellen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen abhängen.
• wissen, wie sich Energie, Energiedichte und Intensität einer Welle berechnen lassen.

10. Interferenz / 1

• das Superpositionsprinzip kennen und damit Interferenzphänomene berechnen können.
• die Begriffe der konstruktiven und der destruktiven Interferenz kennen, und die entsprechenden Phasendifferenzen für Wellen gleicher Frequenz und Amplitude berechnen können.
• wissen, was man unter einer Schwebung versteht, und Träger- und Schwebungsfrequenz für zwei Wellen gleicher Amplitude und leicht unterschiedlicher Frequenz berechnen können.

11. Interferenz / 2

• die Grundidee der Fourier-Zerlegung kennen.
• die Voraussetzungen zur Herstellung eines Wellenpaketes kennen.
• den Unterschied zwischen Phasen- und Gruppengeschwindigkeit kennen.
• wissen, was man unter Dispersion versteht und welche Relevanz Dispersion für die Gruppengeschwindigkeit eines Wellenpaketes hat.
• das Konzept der stehenden Wellen kennen, und wissen, wie man diese mathematisch beschreibt und wie man sie herstellen kann.
• die Eigenschwingungen für einseitig und doppelseitig eingespannte eindimensionale Schwinger (z.B. Saite) kennen.

12. Ausbreitung von Wellen im Raum

• das Konzept der ebenen Welle und der Kugelwelle kennen.
• wissen, was man unter dem Prinzip von Huygens-Fresnel versteht und wie man dieses zur Berechnung von Reflexion, Brechung und Beugung anwendet.
• das Reflexionsgesetz kennen und herleiten können.
• das Brechungsgesetz kennen und herleiten können.
• wissen, wie Beugung definiert ist.
• die Winkel der Interferenzordnungen für Beugung am Gitter und am Spalt berechnen und das entstehende Beugungsmuster erklären können.

13. Dopplereffekt

• wissen, was man unter dem Dopplereffekt versteht und wo dieser in der Praxis relevant ist.
• die Frequenzverschiebungen für die beiden Fälle eines bewegten Beobachters bzw. einer bewegten Quelle angeben können.
• wissen, dass sich die Frequenzverschiebung im Falle eines bewegten Beobachters bzw. einer bewegten Quelle unterscheidet, und diesen Unterschied begründen können.
• wissen, was man unter Kopfwellen versteht, wie diese entstehen und wie der Öffnungswinkel des Mach'schen Kegels berechnet wird.

14. Akustik

• die Schallgeschwindigkeit in Gasen berechnen können, und wissen, von welchen physikalischen Parametern sie abhängt.
• typische Wellenphänomene für Schallwellen, z.B. stehende Wellen, kennen.
• wissen, wie man Schall misst, wie die Lautstärke definiert ist und warum man mit dem logarithmischen Dezibelmass rechnet.
• den Begriff der Äquivalenzlautstärke kennen und erklären können, weshalb dieser eingeführt wurde und wie er zustande kommt.
• den Unterschied zwischen Ton, Klang und Geräusch kennen.
• typische Phänomene der Wellenlehre an Musikinstrumenten, z.B. Stimmgabeln, Pfeifen oder Trommeln, erklären können.

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