Für was gilt die Formel E = E0 exp (kT)?

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Für was gilt die Formel E = E0 exp (kT)?

Antwort

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Wie heiß muss ein 5-kg-Eisenblock sein, um einen 30-m³-Raum von 15°C auf 25°C zu erwärmen?

Gibt es eine Formel für den Energieerhaltungssatz?

Was ist Strom?

Warum steigt die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolie mit der Temperatur?

Accepted Answer

Die Formel \( E = E_0 \exp(kT) \) die Temperaturabhängigkeit der Energie eines Systems, insbesondere in der statistischen Mechanik. Hierbei steht \( E \) die Energie, \( E_0 \) für eine Referenzenergie, \( k \) ist die Boltzmann-Konstante und \( T \) die absolute Temperatur in Kelvin. Diese Beziehung wird häufig verwendet, um die Verteilung von Teilchenenergien in einem thermodynamischen System zu beschreiben, insbesondere in Bezug auf die Besetzungswahrscheinlichkeiten von Energiezuständen bei verschiedenen Temperaturen.

Accepted Answer

Das Gesetz der Thermodynamik gibt es nicht als einzelnes Gesetz, sondern es gibt mehrere Hauptgesetze der Thermodynamik, die die grundlegenden Prinzipien der Energieumwandlung und -übertragung in... [mehr]

Accepted Answer

Das Gesetz der Thermodynamik gibt es nicht als einzelnes Gesetz, sondern es gibt mehrere Hauptgesetze der Thermodynamik, die die grundlegenden Prinzipien der Energieumwandlung und -übertragung in physikalischen Systemen beschreiben: 1. **Nullter Hauptsatz der Thermodynamik:** Wenn zwei Systeme jeweils mit einem dritten System im thermischen Gleichgewicht stehen, dann stehen sie auch miteinander im thermischen Gleichgewicht. Das ermöglicht die Definition der Temperatur. 2. **Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung):** Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Die Änderung der inneren Energie eines Systems entspricht der zugeführten Wärme minus der geleisteten Arbeit. 3. **Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:** In einem abgeschlossenen System nimmt die Entropie (Maß für die Unordnung) niemals ab. Wärme fließt spontan nur von einem wärmeren zu einem kälteren Körper, nicht umgekehrt. 4. **Dritter Hauptsatz der Thermodynamik:** Der absolute Nullpunkt der Temperatur (0 Kelvin) kann nicht durch eine endliche Anzahl von Prozessen erreicht werden, und die Entropie eines perfekten Kristalls ist bei 0 Kelvin null. Diese Gesetze sind grundlegend für das Verständnis von Energie, Wärme und Arbeit in der Physik und Technik.

Accepted Answer

Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur. Das liegt daran, dass bei höheren Temperaturen mehr Elektronen genug Energie erhalten, um vom Valenzband ins Leitungsband... [mehr]

Accepted Answer

Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur. Das liegt daran, dass bei höheren Temperaturen mehr Elektronen genug Energie erhalten, um vom Valenzband ins Leitungsband überzugehen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger (Elektronen und Löcher), was die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Im Gegensatz dazu nimmt bei Metallen die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab, weil die Beweglichkeit der Elektronen durch stärkere Gitterschwingungen (Streuung) verringert wird. Zusammengefasst: **Je höher die Temperatur, desto größer ist die Leitfähigkeit von Halbleitern.**

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Wenn elektrischer Strom Arbeit verrichtet, wird elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt. Das Ergebnis kann zum Beispiel Wärme (wie bei einem Heizgerät), Licht (wie bei ein... [mehr]

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Wenn elektrischer Strom Arbeit verrichtet, wird elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt. Das Ergebnis kann zum Beispiel Wärme (wie bei einem Heizgerät), Licht (wie bei einer Glühbirne), mechanische Bewegung (wie bei einem Elektromotor) oder chemische Energie (wie beim Laden einer Batterie) sein. Die genaue Energieform hängt vom jeweiligen Gerät oder Prozess ab, in dem der Strom genutzt wird.

Accepted Answer

Wenn elektrischer Strom durch Widerstände fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Das liegt daran, dass die Elektronen beim Durchqueren des Widerstandsmate... [mehr]

Accepted Answer

Wenn elektrischer Strom durch Widerstände fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Das liegt daran, dass die Elektronen beim Durchqueren des Widerstandsmaterials mit den Atomen kollidieren und dabei Energie abgeben. Dieser Effekt wird als Joulesche Erwärmung oder auch als ohmsche Wärme bezeichnet. Die Höhe der entstehenden Wärmeleistung lässt sich mit dem ohmschen Gesetz und der Formel \( P = I^2 \cdot R \) berechnen, wobei \( P \) die Leistung (Wärme), \( I \) der Strom und \( R \) der Widerstand ist. Neben der Wärmeentwicklung fällt über dem Widerstand eine Spannung ab, die proportional zum Strom und zum Widerstand ist (\( U = R \cdot I \)).

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Lichtenergie ist die Energie, die im Licht steckt. Sie kommt zum Beispiel von der Sonne oder von Lampen. Pflanzen nutzen Lichtenergie, um zu wachsen. Auch Solaranlagen wandeln Lichtenergie in Strom um... [mehr]

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Lichtenergie ist die Energie, die im Licht steckt. Sie kommt zum Beispiel von der Sonne oder von Lampen. Pflanzen nutzen Lichtenergie, um zu wachsen. Auch Solaranlagen wandeln Lichtenergie in Strom um. Licht besteht aus kleinen Teilchen, die Photonen heißen. Wenn Licht auf etwas trifft, kann es Wärme erzeugen oder Dinge sichtbar machen.

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Die Dichte feuchter Luft (\(\rho\)) hängt von Temperatur, relativer Feuchte und dem Luftdruck (der mit der Höhe über Normalnull, NN, abnimmt) ab. Die Berechnung erfolgt in mehreren Schr... [mehr]

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Die Dichte feuchter Luft (\(\rho\)) hängt von Temperatur, relativer Feuchte und dem Luftdruck (der mit der Höhe über Normalnull, NN, abnimmt) ab. Die Berechnung erfolgt in mehreren Schritten: **1. Sättigungsdampfdruck (\(p_{ws}\)) bei Temperatur \(T\):** Formel nach Magnus (für Temperaturen zwischen 0 und 50 °C): \[ p_{ws} = 6{,}1078 \cdot 10^{\frac{7{,}5 \cdot T}{237{,}3 + T}} \] mit \(T\) in °C und \(p_{ws}\) in hPa. **2. Wasserdampfdruck (\(p_w\)) aus relativer Feuchte (\(\phi\)):** \[ p_w = \phi \cdot p_{ws} \] mit \(\phi\) als Dezimalzahl (z. B. 0,5 für 50 %). **3. Luftdruck (\(p\)) in Abhängigkeit von der Höhe (\(h\)):** Vereinfachte barometrische Höhenformel (für Höhen bis ca. 2000 m): \[ p = p_0 \cdot \left(1 - \frac{0{,}0065 \cdot h}{T_0 + 0{,}0065 \cdot h}\right)^{5{,}255} \] mit \(p_0 = 1013{,}25\) hPa (Standarddruck auf Meereshöhe), \(T_0 = 288{,}15\) K (Standardtemperatur), \(h\) in Metern. **4. Dichte feuchter Luft (\(\rho\)):** \[ \rho = \frac{p_d}{R_d \cdot T} + \frac{p_w}{R_w \cdot T} \] mit \(p_d = p - p_w\) (Partialdruck der trockenen Luft), \(R_d = 287{,}058\) J/(kg·K) (spezifische Gaskonstante trockene Luft), \(R_w = 461{,}495\) J/(kg·K) (spezifische Gaskonstante Wasserdampf), \(T\) in Kelvin. **Zusammengefasst:** 1. Temperatur in Kelvin umrechnen (\(T_{K} = T_{°C} + 273{,}15\)) 2. Sättigungsdampfdruck berechnen 3. Wasserdampfdruck berechnen 4. Luftdruck für die Höhe berechnen 5. Partialdruck der trockenen Luft bestimmen 6. Dichte mit obiger Formel berechnen **Beispiel:** - Temperatur: 20 °C - Relative Feuchte: 60 % - Höhe: 500 m 1. \(T = 293{,}15\) K 2. \(p_{ws} \approx 23{,}37\) hPa 3. \(p_w = 0{,}6 \cdot 23{,}37 = 14{,}02\) hPa 4. \(p \approx 954\) hPa 5. \(p_d = 954 - 14{,}02 = 939,98\) hPa 6. \(\rho = \frac{939,98 \times 100}{287,058 \times 293,15} + \frac{14,02 \times 100}{461,495 \times 293,15} \approx 1,13\) kg/m³ **Weitere Infos und Online-Rechner:** - [Wikipedia: Luftdichte](https://de.wikipedia.org/wiki/Luftdichte) - [Luftdichte-Rechner](https://www.wetterochs.de/wetter/luftdruck.html)

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir berechnen, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Luft im Raum von 15 °C auf 25 °C zu erwärmen, und dann bestimmen, auf welch... [mehr]

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir berechnen, wie viel Wärmeenergie benötigt wird, um die Luft im Raum von 15 °C auf 25 °C zu erwärmen, und dann bestimmen, auf welche Temperatur der Eisenblock erhitzt werden müsste, um diese Energiemenge abzugeben. **1. Benötigte Energie zum Erwärmen der Raumluft** - Raumvolumen: 30 m³ - Temperaturdifferenz: 25 °C – 15 °C = 10 K - Dichte von Luft (bei ca. 20 °C): ca. 1,2 kg/m³ - Masse der Luft: 30 m³ × 1,2 kg/m³ = 36 kg - Spezifische Wärmekapazität von Luft: ca. 1.000 J/(kg·K) Benötigte Energie: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) \( Q = 36\,\text{kg} \times 1.000\,\text{J/(kg·K)} \times 10\,\text{K} = 360.000\,\text{J} \) **2. Temperatur des Eisenblocks berechnen** - Masse Eisenblock: 5 kg - Spezifische Wärmekapazität von Eisen: ca. 450 J/(kg·K) - Endtemperatur: 25 °C (da der Block am Ende die Raumtemperatur hat) - Anfangstemperatur: \( T_\text{Anfang} \) (gesucht) Abgegebene Wärme des Eisenblocks: \( Q = m \cdot c \cdot (T_\text{Anfang} - T_\text{Ende}) \) Setze gleich: \( 5\,\text{kg} \times 450\,\text{J/(kg·K)} \times (T_\text{Anfang} - 25\,^\circ\text{C}) = 360.000\,\text{J} \) \( 2.250\,\text{J/K} \times (T_\text{Anfang} - 25) = 360.000\,\text{J} \) \( T_\text{Anfang} - 25 = \frac{360.000}{2.250} = 160 \) \( T_\text{Anfang} = 160 + 25 = 185\,^\circ\text{C} \) **Antwort:** Der Eisenblock müsste auf **185 °C** erhitzt werden, um einen Raum von 30 m³ und 15 °C auf 25 °C zu erwärmen (unter Vernachlässigung von Wärmeverlusten und idealer Durchmischung).

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Ja, es gibt eine Formel für den Energieerhaltungssatz. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. Die allgemeine Formel lautet: **E... [mehr]

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Ja, es gibt eine Formel für den Energieerhaltungssatz. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System konstant bleibt. Die allgemeine Formel lautet: **E_gesamt = konstant** Das bedeutet, dass die Summe aller Energieformen (z. B. kinetische Energie, potenzielle Energie, innere Energie) in einem abgeschlossenen System immer gleich bleibt. Für mechanische Energie (ohne Energieverluste, z. B. durch Reibung) gilt zum Beispiel: **E_kin + E_pot = konstant** wobei - **E_kin** die kinetische Energie ist: \( E_{kin} = \frac{1}{2} m v^2 \) - **E_pot** die potenzielle Energie ist: \( E_{pot} = m g h \) In Worten: Die Summe aus kinetischer und potenzieller Energie bleibt in einem abgeschlossenen System ohne äußere Einflüsse immer gleich. Mehr Informationen findest du z. B. bei [Wikipedia – Energieerhaltungssatz](https://de.wikipedia.org/wiki/Energieerhaltungssatz).

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Strom, genauer gesagt elektrischer Strom, ist die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern, meist Elektronen, durch einen Leiter wie zum Beispiel einen Draht. Diese Bewegung entsteht,... [mehr]

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Strom, genauer gesagt elektrischer Strom, ist die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern, meist Elektronen, durch einen Leiter wie zum Beispiel einen Draht. Diese Bewegung entsteht, wenn eine elektrische Spannung (also ein Unterschied im elektrischen Potenzial) zwischen zwei Punkten besteht und ein geschlossener Stromkreis vorliegt. Die Stärke des Stroms wird in Ampere (A) gemessen. Elektrischer Strom ist die Grundlage für viele technische Anwendungen, etwa das Betreiben von Lampen, Computern oder Haushaltsgeräten.

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Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) eines Materials beschreibt, wie stark es ein elektrisches Feld beeinflusst bzw. wie gut es elektrische Ladungen polarisieren kann. Bei K... [mehr]

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Die relative Dielektrizitätskonstante (Permittivität) eines Materials beschreibt, wie stark es ein elektrisches Feld beeinflusst bzw. wie gut es elektrische Ladungen polarisieren kann. Bei Kunststofffolien (also polymeren Isolatoren) steigt die relative Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur aus folgenden Gründen: 1. **Erhöhte Molekularbeweglichkeit:** Mit steigender Temperatur bewegen sich die Polymerketten und ihre Seitenketten stärker. Dadurch können sich die Dipole im Material leichter an ein äußeres elektrisches Feld anpassen und ausrichten. Das führt zu einer stärkeren Polarisierbarkeit und damit zu einer höheren Dielektrizitätskonstante. 2. **Thermische Aktivierung von Dipolen:** Bei niedrigen Temperaturen sind viele Dipole im Kunststoff "eingefroren" und können sich kaum bewegen. Mit zunehmender Temperatur werden mehr dieser Dipole beweglich und können sich am elektrischen Feld ausrichten, was die Permittivität erhöht. 3. **Reduzierte Relaxationszeiten:** Die Zeit, die ein Dipol benötigt, um sich an ein verändertes elektrisches Feld anzupassen (Relaxationszeit), nimmt mit steigender Temperatur ab. Dadurch können mehr Dipole dem Feld folgen, was die effektive Permittivität erhöht. **Grenzen:** Dieser Effekt gilt meist nur bis zu einer bestimmten Temperatur (z. B. unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs). Bei sehr hohen Temperaturen kann die Permittivität auch wieder abnehmen, etwa wenn der Kunststoff schmilzt oder sich zersetzt. **Zusammengefasst:** Die relative Dielektrizitätskonstante von Kunststofffolien steigt mit der Temperatur, weil die Moleküle beweglicher werden und sich besser am elektrischen Feld ausrichten können.