Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 2: Kontinuumsmechanik und Thermodynamik

208 Pages·2016·18.87 MB·German

by  Joachim Heintze (auth.)

Joachim Heintze
Peter Bock Hrsg.
Lehrbuch
zur Experimental-
physik
Band 2: Kontinuumsmechanik
und Thermodynamik
Lehrbuch zur Experimentalphysik
Band 2:
Kontinuumsmechanik und Thermodynamik
Joachim Heintze
Peter Bock (Hrsg.)
Lehrbuch zur
Experimentalphysik
Band 2:
Kontinuumsmechanik
und Thermodynamik
JoachimHeintze
PhysikalischesInstitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
Herausgeber
PeterBock
PhysikalischesInstitut
UniversitätHeidelberg
Heidelberg,Deutschland
E-mail:[email protected]
ISBN978-3-662-45767-2 ISBN978-3-662-45768-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-45768-9
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Vorwort
ÜbervieleJahrzehntewurde imgroßenHörsaalimPhysikalischenInstitutderUniversität
Heidelberg,amPhilosophenweg12,einegroßePhysikvorlesungveranstaltet.
Haupt-undNebenfach-StudentenhörtengemeinsamdieseVorlesung.Inden1970erJahren
platzte dann jedoch der Hörsaal aus allen Nähten. Die Vorlesungen waren total überfüllt.
HerrHeintzeerkannte,dassdiesgeändertwerdenmuss.AlsDekansorgteerfürdenNeu-
bau des neuen Hörsaalgebäudes INF 308. 1979 wurde hier schließlich die erste Vorlesung
gehalten.
HerrnHeintzewar,wiemandaransehenkann,dieLehresehrwichtig,besondersdieVorle-
sung.BisherhatteichihnalsInstitutsdirektorodergroßenWissenschaftlererlebt.Von1981
anlernteichihnauchalsVorlesungsdozentkennen.
AndersalsmancheanderenDozentenhatHerrHeintzeüberdieZeithinwegalleKapitelder
Experimentalphysik behandelt, so dass ich das gesamte Programm der Vorlesung kennen
lernen durfte. Neue Methoden wurden geprüft, traditionelle Erkenntnisse erhalten, histo-
rische Experimente restauriert. Herr Heintze stellte sich mir dabei nicht nur als Professor
dar, sondern er war auch Ingenieur. So bautenwir gemeinsam über die Jahre hinweg vie-
leExperimentefürunsereStudenten.AuchderberühmteHeidelbergerLöwenschussistso
entstanden,mitdemdieSuperpositionvonBewegungenveranschaulichtwird.
In dieser Vorlesungsphase habe ich viel gelernt und den Sinn und Lerneffekt der Experi-
menteverstanden.FürmichistHerrHeintzederVaterdieserVorlesungundeinväterlicher
Freundgeworden.
Auch die Idee zu diesem Buch entstand hier in dieser Vorlesung. Ich erinnere mich, dass
Herr Heintze einmal am Dozentenschreibtisch saß, unweit meines Schreibtisches. Und er
nahmausunsererkleinenBibliothekeinBuchnachdemandern,fandabernichtdas,waser
suchteundwarrechtunzufriedendabei. NacheinigerZeitmachteichHerrnHeintzeklar,
dassnurerinderLagesei,dieszuändern.ErhatteingenaudieserVorlesunggroßeErfah-
rung und er kannte die Vorlesung von Otto Haxel, den er auch manchmal hatte vertreten
müssen.ZunächststießdieIdeeeineseigenenBuchesnichtaufZustimmung–HerrHeintze
verneinte,soeinfachseidiesnichtundüberhaupt... KurzeZeitspäterjedochstanderauf
und verließ das Gebäude, um nach 15 Minuten zurück zu kehren. Er sagte: „Ichhabe mir
dasüberlegt,ichwerdeeinBuchschreiben.“
Auch nach seiner Emeritierung 1991 haben wir zusammen Experimente aufgebaut und
ausgewertet, um einiges näher zu untersuchen, was in vielen Physikbüchern nicht richtig
dargestelltist.BeiderWeihnachtsfeier2011sagteermir:„Wirmüssenunsnochmalmitder
anomalenDispersionbeschäftigen.“Leiderkamesnichtmehrdazu.
30 Jahre hat es gedauert, bis die Physikbücher zur Experimentalphysik entstanden sind.
HerrnHeintzewaresnichtmehrvergönntseinWerkzuvollenden.Sofühlenwirunsver-
pflichtet, dies zu tun. Möge es dazu dienen unseren Studenten die Schönheit der Physik
aufzuzeigen,Zusammenhängezusehen,dasStudiumzuerleichternunddamitdiesesVer-
mächtniszuerkennenundweiterzutragen.
Hans-GeorgSiebig,Vorlesungsassistent
Vorwort
DerhiervorliegendezweiteTeildesmehrbändigenPhysik-LehrbuchesvonJoachimHeintze
(1926–2012)istüberwiegendderWärmelehregewidmet.Erist,wiedasganzeWerk,ausden
Kursvorlesungenhervorgegangen,dieJ.HeintzealsProfessorfürPhysikanderUniversität
Heidelbergmehrfachgehaltenhat.ÜberdieIntentionendesAutorsunddieEntstehungsge-
schichtedesBucheshatH.G.Siebigausführlichberichtet.
DiesesBuchbildetmit demvorangehendenBandüberMechanikinsoferneineEinheit, als
die Kapitel über Elastizitätslehre,Hydrostatik und Hydrodynamik aus verlagstechnischen
Gründen erst hier eingefügt wurden. Dies war ohne Probleme möglich, weil es in Band I
praktischkeineReferenzenaufdieseKapitelgibt.IhrInhaltbautaufderMechanikauf,aber
ansonstensindsieweitgehend„entkoppelt“.
Es warimmerdasAnliegenvonJ.Heintze,denBlickdesLesersauchaufdieGrenzendes
geradeBesprochenenzulenken.AusdiesemGrundefindetmanindiesemBuchwieschon
in Band I zahlreiche Vorwärtsverweise, die bemerkenswerterweise später auch alle aufge-
löstwerden. EinanderesAnliegenvonJ.Heintzewares,denLeserfrühzeitiganmoderne
Konzepte und Experimentiermethoden heranzuführen. Als Beispiel hierfür sei die Bespre-
chungder3He/4He-VerdünnungskältemaschineindiesemBandgenannt.EineDarstellung
derWärmelehreistnichtohneBezugaufdieQuantenphysikmöglich.Letzterewirdindie-
semBandsoweiteingeführt,dasseineBesprechungderGasentartungmöglichist.
WieimvorangehendenBandistderBuchtextinseinerursprünglichenFormfastvollständig
erhaltengeblieben.Änderungenwurdennurdortvorgenommen,woErgänzungen,Korrek-
turenoderAktualisierungennützlichodernotwendigwaren;imvorliegendenBandinden
Abschn. 1.3 bis 1.5, 3.6, 8.5 und 9.4. Die hinzugefügten Aufgaben variieren sowohl in ih-
rem Umfang alsauchinihrem Schwierigkeitsgrad.InseltenenFällenfüllensie Lückenim
behandeltenStoff;ansonstensollensiedasVerständnisfördern.Eswurdeversucht,Querver-
bindungen zwischen verschiedenen Kapiteln herzustellenund anwendungsnahe Beispiele
zu finden. Längere AufgabenwurdenstetsinTeilabschnitteuntergliedert.Wie ichausGe-
sprächenmitJ.Heintzeweiß,entsprichtdieZahlderAufgabenseinenVorstellungen.
DenAbschlussderArbeitenandemKomplexausderMechanikundderWärmelehremöch-
te ich zum Anlass nehmen, all denen zu danken, die mich bei der Herausgabe des Werks
unterstützthaben.
SohatsichHerrM.HeintzeumdieProblemedesCopyrightsbeidenAbbildungengeküm-
mert. Herr R. Weis hat die Rechner-Infrastruktur bereitgestellt und die gesamte Software
installiertundgewartet,die zurBearbeitungundSicherungdesTextesnotwendig ist.Frü-
here LaTeX-Versionen des Buches wurden vonHerrn C. Werner erzeugt, dessenDatenich
übernehmenkonnte.DieZeichnungenwurdenvonHerrnJ.Pyrlikangefertigt,derauchalle
anderenAbbildungenfürdenDruck aufbereitetundVerbesserungenamDrucksatzvorge-
nommenhat.IhmgiltmeinbesondererDankfürdieguteZusammenarbeit.MeinDankgilt
auch Herrn D. Dubbers, der freundlicherweise ein Kapitel der Mechanik (Schwingungen)
mitnachträglichenZusätzenkritischgelesenhat.Aufihngehtaucheinesderabgebildeten
Experimente(Bd.I,Abb.12.32)zurück.DanebenhatJ.HeintzeetlicheKollegenundExper-
ten konsultiert, die ich mangels Kenntnis namentlich gar nicht nennen kann. Auch ihnen
gebührtgroßerDankfürihreMithilfe.
VIII Vorwort
DiesesBuchwärenichtmöglichgewesenohnedieUnterstützungdurchdieVorlesungstech-
niker,HerrnH.-G.SiebigundG.Jähnichen,dievieleVersucheaufgebautunddokumentiert
haben.Einige FotosvonGerätenhatHerrR.Nonnenmacherbeigesteuert.EinExperiment,
dessenResultatinFormeinerFotographiegezeigtist,wurdevonHerrnR.TeschundFrau
H.Bock,FHStralsund,durchgeführt.LetztereistmeineSchwester,dieMaterialkundlerinist
undmichdankenswerterweiseaufeinigeFehlerindenAbschnitten1.3und1.4hingewiesen
hat,diejetztausgemerztseinsollten.
Der Stoff des Buches geht an einigen Stellen sicher über den Umfang eines „abgespeckten
Curriculums“hinaus. Mögen diese Teile die Studentendazu anregen, sichvertieft mit der
Wärmelehrezubefassen.
PeterBock
Vorwort
DiesistderzweiteBanddesPhysikbuchsunseresVaters.ErwarPhysikermitLeibundSeele.
GelangdieVorlesungoderdasExperiment,kamergutgelauntnachHause.Dahintersteckte
seinetiefeLiebezurPhysikunddasBedürfnisdieseErkenntniszuverbreiten.
In der Forschung hatte er das Glück in einer überaus spannenden Zeit bei der Entwick-
lung der Elementarteilchenphysik durch „elegante“ Lösungen und „schöne“ Experimente
anCERNundDESYmitzuwirken.DabeiwurdennichtnurErfolge gefeiert.Auchwennes
mal nicht so recht voranging, setzte man sich mit den Kollegen erst mal bei gutem Essen
zusammen.
Nachdenken konnte unser Vater am besten bei körperlicher Arbeit und zwar an der fri-
schen Luft. Manche Steinplatte in unserem Garten lässt sich wohl so der Lösung eines
physikalischenProblemszuordnen.DetektorenausHeidelbergwiederumhießenTulpeund
Margerite.
VielerleiPlänefürdieZeitnachseinerEmeritierunggaberauf,umdiesesBuchzuschreiben.
DiesführteihnzueinemimmertieferenVerständnisderklassischenPhysikundzuintensi-
verAuseinandersetzungmitdermodernenForschung.SeinAnspruchwares,vorgefertigte
Denkwegenurzubeschreiten,wennsieauchseinerstrengenÜberprüfungstandhielten.War
dasnichtderFall,musstenneueWegegefundenwerden,umZusammenhängedarzustellen.
Prof.Dr.PeterBockhatesübernommen,dasBuchimSinneunseresVatersnachdessenTod
zuvervollständigen.IhmgiltunserbesondererDank.
GeschwisterHeintze
JoachimHeintze(1926–2012)studiertenachdemEndedesZweitenWeltkriegesinBerlinund
GöttingenPhysikundwurdeinGöttingenSchülervonOttoHaxel,demernachHeidelberg
folgte,woerseinePromotionabschlossundsichauchhabilitierte.Anschließendarbeiteteer
mehrereJahreamCERNinGenf.Von1963anbiszuseinerEmeritierung1991warerOrdi-
nariusfürPhysikamI.PhysikalischenInstitutderUniversitätHeidelberg,woerzeitweilig
auchalsDekanwirkte.
Als Forscher ist sein Name untrennbar mit der Entwicklung von Spurendetektoren für
hochenergetischgeladeneTeilchenverbunden.DurchseineArbeitenüberschwacheWech-
selwirkung und Elektron-Positron-Vernichtung hat er die Teilchenphysik über viele Jahre
hinwegwesentlichmitgeprägt.
Für seine Arbeiten über seltene Pionen-Zerfälle erhielt er 1963 den Physikpreis der DPG;
1992wurdeihmderMaxBorn-Preisverliehen.J.HeintzewaraucheinengagierterLehrer;
dieses Buch ist aus seinen Vorlesungen über Experimentalphysik für Studenten der ersten
Semesterhervorgegangen.
Inhaltsverzeichnis
TeilI MechanikderkontinuierlichenMedien
1 MechanikdeformierbarerfesterStoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 ElastischeDeformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 UnelastischeDeformation,Bruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 KristallstrukturundDeformierbarkeitfesterStoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Nicht-kristallinefesteStoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 MathematischeErgänzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 RuhendeFlüssigkeitenundGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 DerhydrostatischeDruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Kompressibilität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Flüssigkeitsoberflächen,Kapillarität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 StrömendeFlüssigkeitenundGase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 DieBernoullischeGleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 ReibunginFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 StrömungswiderstandunddynamischerAuftrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.6 IdealeundrealeFlüssigkeiten,Wirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.7 MathematischeErgänzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
TeilII Wärme
4 PhänomenologischeGrundlagenderWärmelehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Stoffmengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 DieZustandsgleichungidealerGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 ThermischesGleichgewichtundWärmemenge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 DieHauptsätzederWärmelehre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 KinetischeGastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1 DruckundTemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 InnereEnergieundspezifischeWärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 StößezwischenGasmolekülen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4 DerBoltzmannfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84