Grundwissen Physik 8. Klasse

1) Energie als Erhaltungsgröße

Energie spielt bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge eine überragende Rolle. Man unterscheidet potentielle und kinetische Energie. Dazu gehören Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie, Reibungsenergie, elektrische Energie und Wärmeenergie.

a) Energieformen in der Mechanik:
Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie .
Dabei gilt, dass jede Energie ohne Reibung in andere Energieformen umgewandelt aber nicht vermehrt oder verringert werden kann (goldene Regel der Mechanik).
Für die mathematische Beschreibung der Energie gilt
Höhenenergie : E_h = m g h;
kinetische Energie : E_kin = EQ \F(m;2) v²
Spannenergie : E_spa = EQ \F(D;2) s²
b) Arbeit
Kraft ist F = m a
Arbeit gilt : D W = F s.
Die Energie wird mittels Arbeit in andere Energieformen umgewandelt.

b) Leistung
Unter Leistung P versteht man den Quotienten aus Arbeit A und Zeit t:
P = EQ \F(A;t)
Der Wirkungsgrad h gibt den Quotienten aus Nutzarbeit A_n (Nutzenergie E_n) und aufgewendeter Arbeit A_a ( Energie E_a ):
h = EQ \F(A_n; A_a) = EQ \F(E_n; E_a)

c) Beispiele für Kraftwandler:
Flaschenzug: F_Z = EQ \F(F_L;n) ; h = n s
(F_z Zugkraft, F_L Last, n Zahl der tragenden Seilstücke, h Hubhöhe, s Seillänge)

Hebel: F₁ a₁ = F₂ a₂
(F₁ , F₂ wirkende Kräfte, a₁, a₂ Hebelarme)

2) Aufbau der Materie und Wärmelehre

a) Aufbau der Materie und innere Energie:
Alle Materie ist aus Atomen aufgebaut. Dies Atome bewegen sich ungeordnet mit einer bestimmt kinetischen Energie. Die Größe dieser Energie ist für die Zustandsform (Aggregatzustand fest, flüssig, gasförmig) und für die Temperatur maßgebend. Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Der absolute Temperaturnullpunkt ist als Zustand verschwindender kinetischer Energie zu verstehen.

b) Innere Energie
Die Summe aller kinetischen Energien der Teilchen wird als innere Energie bezeichnet. Energiezufuhr von außen ändert die Temperatur oder den Aggregatzustand (Erwärmen, Schmelzen, Sieden, Verdunsten) sowie das Volumen
Die Größe der inneren Energie Q ergibt sich zu
Q = c m DJ
( c spezifischer Wärmekoeffizient, m Masse, DJ Temperaturdifferenz)
Für Wärmeübertragung (Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung ) gilt : Die aufgenommene Wärmemenge ist gleich der abgegebenen Wärmemenge.

c) Energieentwertung
Bei manchen Energieübertragungen ist eine Umkehrung des Vorgangs nicht einfach möglich. Man spricht von irreversiblen Vorgängen. Sie kommen häufig bei Umwandlungen von mechanischer in innere Energie vor.

d) Volumenänderung
Fast alle Festkörper, Flüssigkeiten und Gasen dehne sich bei Erwärmung aus
(Anomalie des Wassers):
Längenausdehnung D l bei Festkörpern der Länge l₀ :
D l = a l₀ DJ (DJ Temperaturdifferenz, a Ausdehnungskoeffizient);
Volumenausdehnung DV bei Flüssigkeiten des Volumens V₀ :
D V = g V₀ DJ (DJ Temperaturdifferenz, g Ausdehnungskoeffizient);

3) Elektrische Energie

a) elektrische Grundgrößen
Körper mit Elektronenüberschuss sind negativ geladen, solche mit Elektronenmangel sind positiv geladen. Die elektrische Ladung Q eines Körpers gibt an, wie groß der Elektronenmangel bzw. Elektronenüberschuss ist. Jede Ladung lässt sich als Vielfache der Elementarladung e eines Elektrons ( e = 1,602 ^.. 10^-19 As) darstellen. Unter der Stromstärke versteht man die Ladungsänderung je Zeitänderung:
I = EQ \F(DQ;Dt) mit [I] = 1 A
Die Spannung U ist der Quotient aus der Änderung der potentiellen Energie je Ladungsänderung:
U = EQ \F(DE; DQ) mit [U] = 1V = 1 EQ \F(J;As)

b) Widerstände im einfachen Stromkreis
Ist bei einem metallischen Leiter der Quotient aus Spannung und Stromstärke konstant, so gilt das Ohmsche Gesetz.
Unter dem elektrischen Widerstand R versteht man den Quotienten aus Spannung U und Stromstärke I:
R = EQ \F(U;I) mit [R] = 1 W = 1 EQ \F(V;A EQ \F(;) )

Bei Reihenschaltung gilt:
Die Stromstärke I ist konstant, Die Gesamtspannung U ist gleich der Summe der Teilspannungen ( U = U₁ + U₂ + …). Der Gesamtwiderstand R ist gleich der Summe der Teilwiderstände ( R = R₁ + R₂ + …)

Bei Parallelschaltungen gilt:
Die Spannung U ist konstant, Die Gesamtstromstärke I ist gleich der Summe der Teilspannungen ( I = I₁ + I₂ + …). Der Gesamtwiderstand R ist gleich der Summe der Teilwiderstände ( EQ \F(1;R) = EQ \F(1;R₁) + EQ \F(1;R₂) + …)

c) elektrischen Energie und Leistung
Die elektrische Energie E ist die Fähigkeit des elektrischen Stroms Arbeit zu verrichten (mechanische Arbeit, Wärme, Licht):
E = U I t mit [E] = 1Ws = 1J = 1 VAs
1kWh = 3,60 ^.. 10⁶J

Die elektrische Leistung P gibt an, wie viel Energie in je Zeiteinheit umgewandelt wird:
P = U I mit [P] = 1 VA = 1 W.

4) Profilbereich am NTG

a) Druck
Unter dem Druck p versteht man den Quotienten aus einer senkrecht zur Fläche A wirkenden Kraft F und der Fläche A:
p = EQ \F(F;A) mit [p] = 1 EQ \F(N;m²) = 1 Pa
Der Druck in Flüssigkeiten in geschlossen Gefäßen ist überall gleich groß und er wirkt nach allen Seiten. Bei einer hydraulischen Presse gilt daher:
EQ \F(F₁;A₁) = EQ \F(F₂;A₂) .
Der Schweredruck p_g entsteht durch die Gewichtskraft der Flüssigkeit und ist unabhängig von der Gefäßform. Er berechnet sich durch
p_g = r g h ( mit r Dichte der Flüssigkeit, g = 9,81 EQ \F(N;kg EQ \F(;) ) und h Flüssigkeitstiefe)

b) Auftrieb
Die auf einen Körper in Flüssigkeiten oder Gasen wirkende Auftriebskraft F_A ist gleich der Gewichtskraft F_G der verdrängten Flüssigkeit : F_A = F_G.
Die Auftriebskraft berechnet sich durch:
F_A = r V g ( mit r Dichte des verdrängten Stoffes, g = 9,81 EQ \F(N;kg EQ \F(;) ) und V Volumen der vom Körper verdrängten Flüssigkeiten oder Gasen)