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Über dieses Buch

Das Arbeitsbuch führt durch das erfolgreiche Lehrbuch der Physik von Tipler et al. und ist explizit für das Selbststudium konzipiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Physikalische und mathematische Grundlagen

Frontmatter

Kapitel 1. Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung
Wie die Chemie ist die Physik eine Naturwissenschaft, und allen Naturwissenschaften ist gemeinsam, dass sie auf eine der ureigensten Eigenschaften des Menschen zurückgehen: die Neugier. Naturwissenschaftler wollen wissen, wie die Natur funktioniert. Sie fragen sich, was passiert und wie es passiert, und versuchen anschließend, möglichst viele Phänomene mit möglichst wenigen grundlegenden Regeln zu beschreiben. Damit ihr mühsam erworbenes Wissen nicht verloren geht und nicht jeder Forscher ganz von vorne anfangen muss, geben sie ihre Erkenntnisse weiter. In diesem Kapitel lernen wir einige der Normen und Standards kennen, die in der Physik und in den anderen Naturwissenschaften dafür sorgen, dass neue Erkenntnisse eine solide Basis haben und Forscher einander verstehen.
Olaf Fritsche

Kapitel 2. Mathematische Grundlagen

Zusammenfassung
Wenn Physiker sagen, dass Physik die exakteste aller Naturwissenschaften sei, dann haben sie meistens das Ideal vor Auge, dass die Physik die Vorgänge in der Natur nicht nur mit Worten qualitativ beschreibt, sondern diese mit mathematischen Modellen simuliert und quantitative Angaben zu den verschiedenen beteiligten Größen macht. Für die Physik bewegen sich Wassermoleküle bei einer Temperatur von 300 K nicht einfach „ziemlich schnell“, sondern mit 370,8 m/s. Die Knallgasreaktion ist nicht nur exotherm, sondern gibt 286 kJ pro Mol entstandenen Wassers frei. In diesem Kapitel wiederholen wir kurz und knapp einige mathematische Grundlagen, auf die wir in diesem Studienmodul angewiesen sein werden. Mit ihrer Hilfe werden wir viele physikalische Formeln besser verstehen und mit ihnen rechnen können. Häufig wird uns sogar ein Blick auf eine Gleichung genügen, um ihre wesentlichen Eigenschaften zu erfassen - ganz ohne Rechnung.
Olaf Fritsche

Mechanik

Frontmatter

Kapitel 3. Bewegungen

Zusammenfassung
Zwei Stoffe können nur dann chemisch miteinander reagieren, wenn ihre Moleküle Kontakt zueinander haben. In der Regel müssen sie sich dafür aufeinander zu bewegen. Die Kinematik beschreibt, wie diese Bewegung abläuft, indem sie beispielsweise Angaben darüber macht, mit welcher Geschwindigkeit ein Objekt in welche Richtung unterwegs ist. Mit der Dynamik erfassen wir, wie Kräfte und Massen die Bewegung beeinflussen, indem sie etwa die Richtung des Objekts verändern, es abbremsen oder beschleunigen.
Olaf Fritsche

Kapitel 4. Newtons Axiome

Zusammenfassung
Wir sind im vorigen Kapitel davon ausgegangen, dass sich Objekte irgendwie in Bewegung setzen, beschleunigen oder abbremsen und ihre Richtung ändern. In diesem Kapitel werden wir sehen, dass für jede Änderung des Bewegungszustands eine Kraft verantwortlich ist. Erst wenn wir das Wechselspiel von Kraft und Bewegung kennen, können wir das Verhalten von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten verstehen. Die grundlegenden Zusammenhänge hat der britische Universalgelehrte Isaac Newton im 17. Jahrhundert aufgestellt. Wir nennen sie daher die Newton-Gesetze oder Newton’sche Axiome.
Olaf Fritsche

Kapitel 5. Energie und Arbeit

Zusammenfassung
Wir haben im vorhergehenden Kapitel gesehen, dass Kräfte Bewegungen verursachen. Auf den folgenden Seiten gehen wir der Frage nach, wo diese Kräfte herkommen und welche Veränderungen sie an den Objekten, auf die sie einwirken, hervorrufen. Dabei lernen wir mit dem Konzept der Energie einen der wesentlichen Grundpfeiler der Physik kennen, der auch für chemische Reaktionen von entscheidender Bedeutung ist. In diesem Kapitel behandeln wir zunächst mechanische Formen von Energie, da sie sich leichter vorstellen lassen. Mit dem Wissen, das wir uns aneignen, können wir dann die chemisch relevanteren Formen der Energie, die wir im Kapitel zur Thermodynamik genauer untersuchen, besser verstehen.
Olaf Fritsche

Kapitel 6. Impuls

Zusammenfassung
Kräfte sind physikalische Größen, die Veränderungen schaffen, indem sie Objekte beschleunigen oder verformen. Wollen wir die ungestörte Bewegung eines Teilchens charakterisieren, benötigen wir eine neue physikalische Größe: den Impuls.
Kommt es dann zum Zusammenstoß zweier Teilchen, werden nicht nur Kräfte übertragen und Richtungen geändert – die Kontrahenten können sich durch die Kollision auch verformen. Oder sie nutzen die Energie, um eine chemische Reaktion zu initiieren.
Olaf Fritsche

Kapitel 7. Drehbewegungen

Zusammenfassung
Die Gesetzmäßigkeiten, die wir für lineare Bewegungen kennengelernt haben, gelten analog auch für Objekte, die um ihre eigene Achse rotieren. In der Chemie helfen uns die speziellen Eigenschaften des Drehverhaltens häufig bei der Analyse einer Substanz.
Olaf Fritsche

Kapitel 8. Mechanik deformierbarer Körper

Zusammenfassung
Wenn Kräfte oder Drehmomente auf ein Objekt einwirken, kann es entweder beschleunigt werden, oder es wird verformt. Auch Moleküle werden häufig gestreckt, gestaucht oder verbogen. Manchmal zur Vorbereitung auf eine chemische Reaktion, in anderen Fällen bleibt das Molekül für einen längeren Zeitraum unter Spannung.
Olaf Fritsche

Kapitel 9. Fluide

Zusammenfassung
Viele chemische Substanzen sind flüssig, und viele chemische Reaktionen finden in Lösungen statt. Gase und Flüssigkeiten, die wir zu den Fluiden zusammenfassen, verhalten sich aber anders als die Festkörper, die wir bisher untersucht haben. In diesem Kapitel widmen wir uns deshalb den Besonderheiten von Teilchensystemen mit beweglichen Atomen und Molekülen. Wir beginnen mit den Eigenschaften ruhender Fluide und schauen uns dann ihr Strömungsverhalten an.
Olaf Fritsche

Kapitel 10. Schwingungen

Zusammenfassung
Auf den ersten Blick scheint es, als hätten die Schwingungen von Federn und Pendeln wenig Bedeutung für die Chemie. Doch der Eindruck trügt. Tatsächlich sind Schwingungen und die darauf aufbauenden Wellen, die wir im folgenden Kapitel behandeln, ein zentrales Konzept für die Abläufe bei chemischen Reaktionen und optischen Analysemethoden.
Olaf Fritsche

Kapitel 11. Wellen

Zusammenfassung
Häufig bleiben Schwingungen nicht auf ein Teilchen beschränkt, sondern breiten sich aus, indem sie benachbarte Teilchen zum Mitschwingen zwingen. Das räumliche Muster einer wandernden Schwingung nennen wir eine Welle. In diesem Kapitel werden wir in erster Linie mechanische Wellen behandeln, wie sie uns beispielsweise auf dem Wasser oder als Schall begegnen. Die Prinzipien, die wir dabei kennenlernen, gelten aber auch für alle anderen Formen von Wellen. Besonders elektromagnetische Wellen, zu denen auch Licht gehört, haben in der chemischen Analytik einen festen Platz. Wir werden sie in einem späteren Kapitel eingehend untersuchen. Die Grundlagen zum Verständnis von Wellen aller Art legen wir jedoch auf den folgenden Seiten.
Olaf Fritsche

Thermodynamik

Frontmatter

Kapitel 12. Temperatur und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Eine der zentralen Größen in der Thermodynamik ist die Temperatur. Obwohl sich jeder aus eigener Sinneserfahrung etwas darunter vorstellen kann, benötigen wir für exakte Messungen ein geeignetes Instrument – ein Thermometer.
Olaf Fritsche

Kapitel 13. Die kinetische Gastheorie

Zusammenfassung
Die kinetische Gastheorie erklärt makroskopische Eigenschaften eines Gases – wie den Zusammenhang von Temperatur, Druck und Volumen – mit der Bewegung der Teilchen, die Geschwindigkeiten von mehreren hundert Metern pro Sekunde erreichen und ständig miteinander kollidieren. In diesem Kapitel sehen wir uns die Bewegungen und Kollisionen genauer an, wobei wir mit extrem verdünnten Gasen anfangen und anschließend den Schritt zu realitätsnäheren Gasen wagen.
Olaf Fritsche

Kapitel 14. Wärme und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Wir kennen den Vorgang aus dem Alltag: Manche Materialien werden beim Erwärmen sehr schnell heiß, andere brauchen dafür sehr viel länger. Wärmeenergie kann offensichtlich nicht nur die Temperatur eines Körpers erhöhen, sondern auch in andere Eigenschaften einfließen. In diesem Kapitel untersuchen wir, welche Veränderungen Wärme und andere Arten von Arbeit an einem System bewirken. Wir lernen dabei eine weitere Größe kennen, von der abhängt, ob und wie chemische Reaktionen ablaufen.
Olaf Fritsche

Kapitel 15. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik erweckt den Eindruck, wir könnten Wärme und Arbeit in beliebiger Weise über die innere Energie ineinander umformen. In der Realität hat sich jedoch gezeigt, dass wir Wärme nicht vollständig wieder in Arbeit wandeln können. Der Zweite Hauptsatz  widmet sich dieser Beobachtung und führt mit der Entropie eine neue Größe ein, die bei vielen chemischen Reaktionen über den Verlauf entscheidet.
Olaf Fritsche

Kapitel 16. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
Wir haben in den vorhergehenden Kapitel mehrmals davon gesprochen, dass Körper in thermischem Kontakt miteinander stehen und Wärmeenergie austauschen. Hier sehen wir uns an, über welche Mechanismen dieser Wärmeaustausch geschehen kann.
Olaf Fritsche

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