Die Rotationsdynamik ist ein Teilgebiet der Mechanik, das sich mit Drehbewegungen befasst, die von Kräften, Massen und anderen Einflussfaktoren abhängen. Ein Objekt rotiert, wenn sich alle seine Teile um eine Achse oder einen Drehpunkt bewegen, der sich an einem seiner Teile befindet. Die in diesem Abschnitt behandelten Drehbewegungen konzentrieren sich auf die Rotation um eine feste Achse. Beispiele für Drehbewegungen um eine feste Achse sind die Bewegung einer Riemenscheibe, eines Ventilators, einer CD/DVD in einem CD/DVD- Raum , einer Tür oder eines Fensters, eines Motorzylinders, eines Hubschrauber- oder Flugzeugpropellers oder eines Schiffspropellers. Haben Sie schon einmal einen Kreisel beobachtet? Die Position der Kreiselachse ändert sich ständig (die Neigung des Kreisels ändert sich), daher werden Drehbewegungen wie die eines Kreisels in diesem Abschnitt nicht behandelt.
Schwarzes Prinzip
Schwarze Prinzipien verstehen
Vermischt man heißes und kaltes Wasser in einem offenen Behälter (z. B. einem Eimer), findet ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen und dem kalten Wasser statt. Da der Behälter offen ist, gibt ein Teil der Wärme an die Umgebungsluft ab. Auch der Behälter selbst erwärmt sich. Die vom heißen Wasser abgegebene Wärme wird also nicht nur vom kalten Wasser, sondern auch von der Luft und dem Behälter aufgenommen. In diesem Fall handelt es sich beim Eimer um ein nicht isoliertes System.
Beim Mischen von heißem und kaltem Wasser in einer geschlossenen Thermoskanne findet ein Wärmeaustausch zwischen heißem und kaltem Wasser statt. Da die Thermoskanne ein abgeschlossenes System ist, wird keine Wärme an die Umgebungsluft oder die Thermoskanne abgegeben. Die vom heißen Wasser abgegebene Wärme wird vom kalten Wasser so lange aufgenommen, bis sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt.
Systeme und Umwelt
Systeme und Umwelt verstehen
Ein System ist ein Objekt oder eine Gruppe von Objekten, die untersucht werden. Andere Objekte im Universum werden als Umgebung bezeichnet. Typischerweise ist ein System durch eine „Trennwand/einen Begrenzer/einen Separator“ von seiner Umgebung getrennt.
Nehmen wir beispielsweise an, wir möchten Wasser in einer Thermoskanne untersuchen. Das Wasser in der Thermoskanne bildet das System, während die Luft und andere Objekte außerhalb der Thermoskanne die Umgebung darstellen. Die Wände der Thermoskanne – sowohl das Glas innen als auch der Kunststoff außen – fungieren als Trennwand. Eine Wasserthermoskanne ist ein Beispiel dafür.
Latente Wärme
Latente Wärme verstehen
Wenn man ein Quecksilberthermometer in ein Gefäß mit einem Gemisch aus kaltem Wasser und Eis taucht, beobachtet man, dass sich die Quecksilberoberfläche nach dem Absinken nicht mehr bewegt. Die Quecksilberoberfläche stoppt ihre Bewegung, sobald sie den Schmelzpunkt oder Gefrierpunkt von Wasser (0 ° C) erreicht hat. Ist das Gefäß offen, fließt Wärme von der wärmeren Luft zum kälteren Eis-Wasser-Gemisch. Die zusätzliche Wärme der Luft bewirkt das Schmelzen des Eises. Ändert sich die Temperatur des Eis-Wasser-Gemisches beim Schmelzen des Eises? Nein, die Temperatur des Eis-Wasser-Gemisches ändert sich nicht.
Spezifische Wärmekapazität
Die spezifische Wärmekapazität (c) ist die Wärmemenge ( Q), die benötigt wird, um die Temperatur (T) einer Masseneinheit (m) eines Objekts um ein Grad zu erhöhen. Die Formel für c lautet:
Internationales Einheitensystem ist J/Kg K.
Die spezifische Wärmekapazität eines Objekts ändert sich mit der Temperatur. Bei geringen Temperaturänderungen kann sie als konstant betrachtet werden. Im Folgenden sind die experimentell ermittelten Werte der spezifischen Wärmekapazität c für verschiedene Objekte bei einem Druck von 1 atm und einer Temperatur von 20 ° C aufgeführt.
Wärmeformel
Wenn Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen miteinander in Kontakt kommen, fließt Wärme vom wärmeren zum kälteren Objekt. Der Wärmeaustausch endet, sobald die beiden Objekte ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben . Man kann sagen, dass Wärmeaustausch eine Temperaturänderung der in Kontakt stehenden Objekte bewirkt . Aus dieser kurzen Erklärung lässt sich schließen, dass Wärme (Q) mit der Temperaturänderung (ΔT) eines Objekts zusammenhängt . Jedes Objekt besitzt eine Masse (m) und ist von unterschiedlicher Art.
Mechanische Wärmetare
Die Einheit der Wärme ist die Kalorie (abgekürzt kcal). Eine Kalorie ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 °C (genau von 14,5 °C auf 15,5 °C) zu erhöhen . Die benötigte Wärmemenge variiert mit der Wassertemperatur . Bei gleicher Wärmemenge tritt eine Temperaturerhöhung von 1 ° C nur zwischen 14,5 ° C und 15,5 ° C auf. Die häufig verwendete Wärmeeinheit, insbesondere zur Angabe des Energiegehalts von Lebensmitteln, ist die Kilokalorie (kcal). 1 kcal = 1000 Kalorien. Eine andere Bezeichnung für 1 kcal = 1 Kalorie (großgeschrieben K). Die Wärmeeinheit im britischen System ist die Btu (British Thermal Unit). 1 Btu = die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Pfund Wasser um 1 °F ( genau von 63 ° F auf 64 ° F) zu erhöhen.
Wasseranomalie
Wasseranomalien verstehen
Jeder Gegenstand dehnt sich aus (sein Volumen nimmt zu), wenn seine Temperatur steigt, und schrumpft (sein Volumen nimmt ab), wenn sie sinkt. Auch Wasser dehnt sich aus, wenn die Temperatur steigt, und schrumpft, wenn sie sinkt – außer im Temperaturbereich von 0 ° C bis 4 ° C. Zwischen 0 ° C und 4 ° C nimmt das Volumen des Wassers mit steigender Temperatur ab. Erhitzt man Wasser von 0 ° C, so schrumpft sein Volumen mit zunehmender Temperatur. Dieser Schrumpfungsprozess endet bei einer Temperatur von 4 ° C. Oberhalb von 4 ° C dehnt sich das Wasser wieder aus. Umgekehrt dehnt sich Wasser aus (sein Volumen nimmt zu), wenn die Temperatur von 4 ° C auf 0 ° C sinkt. Dieses ungewöhnliche Verhalten des Wassers wird als Wasseranomalie bezeichnet.
Pemuaian
Wenn Sie elektrische Kabel genauer betrachten, werden Sie feststellen, dass sie aufgrund von Spiel nach unten gebogen sind. Warum werden elektrische Kabel absichtlich gelockert, anstatt einfach nur gespannt zu werden? Die meisten Dächer in Flores und Lembata, Ost-Nusa Tenggara, sind aus Zink (Zn) gedeckt. Zinkdächer machen tagsüber und nachts Geräusche. Warum macht Zink Geräusche? Wenn Sie auf der Insel Java leben, haben Sie vielleicht schon einmal Eisenbahnschienen gesehen. An den Schienenstößen befinden sich Lücken. Welche Funktion haben diese Lücken? Es gibt viele Aspekte, über die man im Zusammenhang mit dem Thema Ausdehnung nachdenken und Fragen stellen kann.
Gasthermometer
Kalibriert man verschiedene Thermometertypen, beispielsweise ein Quecksilberthermometer und ein Alkoholthermometer, so stimmen die Skalen beider Thermometer nur bei 0 ° C (oder 32 ° F) und 100 ° C (oder 212 ° F) überein. Misst man mit beiden Thermometern die Lufttemperatur, so zeigen sie nicht unbedingt die gleichen Werte an. So könnte das Quecksilberthermometer beispielsweise 48 ° C anzeigen, während das Alkoholthermometer 46 ° C anzeigt . Dies liegt an der unterschiedlichen Ausdehnung von Quecksilber und Alkohol. Ähnliches gilt für andere Thermometertypen, wie etwa Bimetallthermometer. Die so ermittelte Temperaturskala hängt stark von den Eigenschaften der verwendeten Materialien ab.