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Auftrieb

Auftrieb

Als Auftrieb bezeichnet man eine Kraft, die eine Flüssigkeit oder ein Gas auf einen Körper (oder auf ein Gasvolumen) ausübt. Man unterscheidet den entgegen der Schwerkraft wirkenden statischen Auftrieb vom rechtwinklig zur Anströmung wirkenden dynamischen Auftrieb. Abtrieb ist physikalisch gesehen die gleiche Kraft wie der Auftrieb, wirkt aber in die entgegengesetzte Richtung.

Statischer Auftrieb

physikalisch] Der statische Auftrieb ist eine Kraft, die der Schwerkraft entgegen wirkt. Er entsteht, wenn sich ein Körper in einem Fluid (also einer Flüssigkeit oder einem Gas) befindet, es also verdrängt. Dieser Effekt wird mit dem Archimedischen Prinzip beschrieben.

Formel

F = \rho \cdot V \cdot g. Dabei ist V das verdrängte Volumen, \rho ist die Dichte, also ist \rho \cdot V die verdrängte Masse, und \rho \cdot V \cdot g ihre Gewichtskraft. Das Archimedische Prinzip ist also erfüllt. Gleichwohl ist die 'verdrängte Masse' m= \rho \cdot V kein tatsächlicher Körper, sondern eine durch den verdrängenden Körper geprägte Verformung (V) der Flüssigkeit (relativ zu ihrem Oberflächen-spiegel), welcher eine virtuelle Dichte \rho zugemessen wird. Der Effekt ist also auch dann zu beobachten, wenn die vorhandene Flüssigkeit ein geringeres Volumen besitzt als der eingetauchte Teil des Schwimmkörpers.

Beispiele für statischen Auftrieb


- Ballons steigen auf, weil sie mit einem Traggas (meist Helium oder heiße Luft) gefüllt sind, das eine geringere Dichte hat, als die umgebende (kalte) Luft. Insgesamt haben alle Bestandteile des Ballons (inkl. Hülle, Korb etc.) zusammengerechnet eine geringere bzw. die gleiche Dichte, wie die der umgebenden Luft.
- Schiffe schwimmen auf dem Wasser, weil der in das Wasser eingetauchte Teil des Schiffes leichter ist als das verdrängte Wasser und das Gesamtgewicht des Schiffes dem Gesamtgewicht des von ihm verdrängten Wassers entspricht. Wegen der großen Lufträume hat ein Schiff trotz der schweren Baustoffe (Stahl etc.) eine geringere mittlere Dichte als Wasser. Schiffe befinden sich bei einem bestimmten Tiefgang in einem stabilen Gleichgewicht: Tauchen sie aufgrund von Störungen tiefer ein, vergrößert sich der Auftrieb und sie werden wieder emporgehoben, werden sie zu weit emporgehoben, verringert sich der Auftrieb, und die Schwerkraft läßt sie wieder eintauchen.
- U-Boote: Beim statischen Tauchen werden die Ballastzellen (oder -tanks) geflutet bzw. entlüftet. Wenn dynamische Effekte wie Strömungen oder Eigenfahrt fehlen, ist es möglich, ein U-Boot in rein statischem Tauchen durch korrekte Trimmung mittels Regel- oder Trimmzellen in einer bestimmten Tiefe zu halten. In der Praxis ist das aufgrund der wegen unterschiedlicher Salzgehalte schwankenden Wasserdichte allerdings sehr schwierig. Etwas einfacher wird es durch das Ausfahren des Sehrohrs über die Wasseroberfläche, wodurch ein U-Boot wie ein Überwasserfahrzeug in ein stabiles Gleichgewicht bezüglich der Tauchtiefe gebracht wird.

Dynamischer Auftrieb

Er entsteht, wenn der Körper sich relativ zum Gas oder zur Flüssigkeit bewegt. Die Kraft, die das Fluid (Gas oder Flüssigkeit) auf den Körper ausübt, besteht grundsätzlich aus zwei Komponenten: 1. der Widerstandskraft FW (wirkt in Richtung der Anströmung), :F_W = \frac \cdot \rho \cdot c_W \cdot A \cdot v^2. :cW = Widerstandsbeiwert (siehe auch: CW-Wert) :A = Fläche senkrecht zum Widerstandskraft(Querschnittfläche/Projektionsfläche) :\rho = Dichte des Mediums :v1 = Anströmgeschwindigkeit 2. der dynamischen Auftriebskraft FA (engl.: lift force, wirkt rechtwinklig zur Anströmung, wobei hier der Verständlichkeit halber keine Trägheitskräfte betrachtet werden, die im instationären Fall, z.B. im Seegang, zusätzlich vorkommen (hydrodynamische Massen)). :F_A = \frac \cdot \rho \cdot c_A \cdot A \cdot v^2. :cA = Auftriebsbeiwert :A = Fläche, auf der der Auftrieb wirkt/Tragfläche :\rho = Dichte des Mediums :v1 = Anströmgeschwindigkeit Im Gegensatz zum statischen Auftrieb ist die Richtung des dynamischen Auftriebs nicht durch "oben" und "unten" im Sinne der Schwerkraft definiert, sondern nur dadurch, wie Körper und Strömung zueinander orientiert sind. Dennoch nennt man ihn auch dynamischen Abtrieb, wenn er in Richtung der Gewichtskraft wirkt, also entgegengesetzt zum statischen Auftrieb. Dynamischer Auftrieb entsteht durch einen Druckunterschied zwischen gegenüberliegenden Seiten des umströmten Körpers. Der dynamische Auftrieb hängt von der Größe und Richtung der Anströmgeschwindigkeit relativ zum Körper ab. Beispiele für dynamischen Auftrieb:
- Tragflächen eines Flugzeugs
- Segel eines Segelboots
- Ruder eines Schiffes
- Tiefenruder eines U-Bootes
- Heckflügel eines Rennwagens
- der Rumpf eines Schiffes muss in der Kurve nach innen zeigen um Fliehkraft auszugleichen. Vom Prinzip her stört ein Profil bei dynamischem Auftrieb die Strömung so, als ob sich dort ein Wirbel befände, der sich auf der Saugseite mit der Anströmung dreht und auf der Druckseite entgegengesetzt dazu - nicht genug, um die Strömung umzukehren, die Luft dreht sich also nicht wirklich um eine Flugzeug-Tragfläche. Entscheidend für das Entstehen dieses Wirbels ist das Bilden eines Wirbels an der Tragflächenhinterkante, des sogenannten Anfahrwirbels. Durch Bewegung der Tragfläche aus der Ruhe heraus (Start) entsteht an der Hinterkante eine Instabilität der beginnenden Luftströmung und das Auftreten von Wirbeln. War die Strömung anfangs wirbelfrei (Ruhe), dann führt das zu einem Gegenwirbel, sodass die Gesamtrotation des Wirbelsystems (Zirkulation) unverändert bleibt (Satz von Thomson). Dieser Gegenwirbel sorgt dann für einen hinreichend großen Geschwindigkeitsunterschied von Strömungen auf der Ober- und Unterseite einer Tragfläche. Nach einer Gesetzmäßigkeit, die man den Helmholtz'schen Wirbelsatz nennt, kann ein Wirbelfaden nicht mitten in der Strömung plötzlich zu Ende sein. Der Wirbel, der ein Flugzeug trägt, setzt sich an beiden Enden der Tragflächen U-förmig nach hinten fort, als ein gewaltiges Wirbelpaar. Es ist am Flughafen von Rio de Janeiro schon vorgekommen, dass jemand verbotenenerweise ein gesperrtes Gelände am Flughafenzaun befahren hat und vom Wirbelpaar eines landenden Flugzeugs mit seinem Auto meterweit in die Luft geschleudert und schwer verletzt wurde - er kannte den Helmholtz'schen Wirbelsatz nicht. Beispiel für eine Kombination von statischem und dynamischen Auftrieb:
- Luftschiffe: Sie erzeugen statischen Auftrieb durch die Gasfüllung und dynamischen Auftrieb oder gegebenenfalls Abtrieb durch Motorenkraft (schwenkbare Propeller) und durch den Rumpf mit Hilfe der Steuerflächen.
- U-Boote: Als Dynamisches Tauchen bezeichnet man den Vorgang des Tauchens mit Hilfe des Antriebs und der Tiefenruder (Bug und Heck). Ohne dynamischen Auftrieb hat ein U-Boot immer eine Tendenz zum Steigen oder Sinken. Beim Alarmtauchen wird der Antrieb auf elektrisch und auf maximalen Schub (AK = äußerste Kraft) voraus geschaltet. Das Bugtiefenruder (z.B. 15°) nach unten gestellt und das Hecktiefenruder (z.B. 10°) nach oben gestellt. Dadurch entsteht eine extreme Neigung, die zusammen mit Antrieb und entlüfteten Ballasttanks ein schnelles Sinken bewirkt..

Abtrieb

Eine in Richtung der Schwerkraft wirkende Auftriebskraft wird bei bestimmten Anwendungen als Abtrieb bezeichnet. Abtrieb als die Kraft, mit der ein Körper auf den Boden gedrückt wird, spielt im Autosport eine wichtige Rolle, weil dort ein möglichst hoher Anpressdruck des Fahrzeuges auf die Straße erwünscht ist, um eine hohe Bodenhaftung und damit hohe Kurvengeschwindigkeiten zu erzielen. Abtrieb bezeichnet dabei den dynamischen Abtrieb durch aerodynamische Flächen, die bei Rennwagen Flügel genannt werden. Die im Automobilbau ebenfalls verwendeten Spoiler erzeugen keinen Abtrieb, sondern verhindern nur die Entstehung dynamischen Auftriebs, der durch die aerodynamischen Eigenschaften der Karosserieform erzeugt wird. Je höher der Abtrieb ist, desto mehr Stabilität hat man in Kurven. Man muss aber Geschwindigkeit auf den Geraden einbußen. Wenn mehr Geschwindigkeit auf Geraden erforderlich ist, verringert man den Abtrieb. Dabei verliert man an Stabilität in den Kurven.

Siehe auch


- Ballast
- Formschwerpunkt
- Auftriebsausgleich bei Luftschiffen
- Gesetz von Bernoulli das die Relation zwischen Druck und Geschwindigkeit darstellt.

Weblinks


- [http://www.walter-fendt.de/ph14d/auftrieb.htm Interaktives Experiment zur Größe der Auftriebskraft auf einen Körper, der in eine Flüssigkeit taucht]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m15_auftrieb.htm Versuche und Aufgaben zum Auftrieb]
- http://www.aeromodelling.de.vu (Ausführliche Beschreibung zum Thema Auftrieb bei Flugzeugen) Kategorie:Strömungslehre ja:揚力 minnan:Seng-le̍k

Kraft

Kraft ist eine Fähigkeit, etwas zu bewirken. Als physikalischer Fachbegriff bezeichnet Kraft die Fähigkeit, Körper zu beschleunigen oder zu verformen. Als physikalische Größe wird Kraft durch das Formelzeichen F (von frz./engl. force) bezeichnet. Ihre Einheit ist das Newton (N), zu Ehren von Sir Isaac Newton, der mit seinen Bewegungsgesetzen den modernen physikalischen Kraftbegriff schuf.

Wort- und Begriffsgeschichte

Das Wort Kraft ist altgermanischen Ursprungs; im Englischen hat craft infolge der Konkurrenz durch Altfrz. force eine eingeengte Bedeutungsentwicklung genommen. In der physikalischen Fachsprache ist Kraft spätestens im 17ten Jahrhundert mit Lat. vis, Frz. force gleichgesetzt worden (Kant: Von der wahren Schätzung der lebendigen Kräfte, 1747). Jenseits der Physik hat force im Engl. und Frz. breitere Bedeutungen als im Dt. und kann auch als Macht oder Stärke übersetzt werden (la force militaire d'un pays; la force du vent). Das griechische Wort für Kraft, δύναμις, lag der CGS-Einheit dyn zugrunde und lebt fort in Dynamik, was als physikalischer Fachbegriff die Lehre von der Bewegung unter dem Einfluss von Kräften bezeichnet. Im Deutschen bezeichnet Kraft eine körperliche oder geistige Voraussetzung zu bestimmten Handlungen (Muskelkraft; Krafttraining). In der zweiten Bedeutung – der Ausführung der Tätigkeit selbst (eine Kraft ausüben; unter der Kraft zusammenbrechen) kommt die Alltagsvorstellung von Kraft dem physikalischen Fachbegriff nahe. Der umgangssprachliche Kraftbegriff umfasst jedoch auch die Arbeitskraft oder die Schreibkraft. Der Begriff wurde früh auch auf Nichtlebendiges übertragen, so in Heilkraft (getrockneter Kräuter oder eines bestimmten Wassers). In der Rechtssprache bedeutet Kraft seit dem Mhd. Gültigkeit, heute nur noch in bestimmten Formeln: in/außer Kraft bleiben/treten/setzen, vgl. rechtskräftig. Aus in/durch Kraft entstand die Präposition kraft (kraft Amtes). Als physikalischer Fachbegriff wurde Kraft von Archimedes eingeführt und von Galilei aufgegriffen. Isaac Newton gelang es in seinen Bewegungsgesetzen (veröffentlicht 1687) den Begriff Kraft in bis heute gültiger Weise zu präzisieren. Bis weit ins 19te Jahrhundert benutzten Physiker das Wort Kraft jedoch auch in Bedeutungen, die nicht durch die newtonschen Gesetze gedeckt waren, und zwar insbesondere auch in der Bedeutung von Energie, denn der moderne Energiebegriff wurde erst mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Julius Robert von Mayer, 1842) geschaffen. Während die Kraft wie auch die Energie in der Physik von Newton über ihre Ursachen und Wirkungen differenziert betrachtet wird (Reibungskraft, Fliehkraft, Schwerkraft, kinetische Energie, potentielle Energie, Wärmeenergie usw.), unterscheidet die moderne Physik noch vier Grundkräfte und nennt sie auch Wechselwirkungen:
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Starke Wechselwirkung
- Gravitation Die Erscheinungen, die durch den Magnetismus und "magnetische Kräfte" beschrieben werden, sind lediglich ein relativistischer Nebeneffekt elektrischer Ströme. Alle newtonschen Kräfte lassen sich auf diese vier zurückführen. Eine wahrscheinliche Hypothese geht davon aus, dass auch sie in Wirklichkeit nur verschiedene Ausprägungen der selben Sache sind. Allerdings ist es bisher erst gelungen, die Elektromagnetische und die Schwache Wechselwirkung einheitlich zu erklären ("Elektroschwache Wechselwirkung").

Wirkung und vektorieller Charakter von Kraft

Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen:
- Eine Kraft kann die Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Körpers ändern.
- Eine Kraft kann einen Körper verformen (Deformation).
Davon gibt es zwei Arten: #Elastizität: Fähigkeit von Stoffen, eine Formänderung rückgängig zu machen, sobald die einwirkende Kraft wegfällt. #Plastizität (Duktilität): Vermögen eines Werkstoffes, seine Gestallt beizubehalten, die durch eine Krafteinwirkung entstanden ist. Um eine Kraft zu beschreiben, genügt es nicht, Zahlenwert und Einheit anzugeben; wichtig ist auch die Richtung, in die die Kraft wirkt:
- Wenn die Kraft in die gleiche Richtung zeigt wie die Geschwindigkeit des Körpers, auf den sie wirkt, beschleunigt sie ihn (Beschleunigung). Wenn die Kraft der Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, bremst sie ihn ab. Bei jedem anderen Winkel zwischen Kraft und Geschwindigkeit bewirkt die Kraft auch eine Richtungsänderung (Querbeschleunigung).
- Die Verformung eines Körpers kommt genau genommen nicht durch eine einzelne Kraft zustande, sondern dadurch, dass an verschiedenen Angriffspunkten verschiedene Kräfte wirken (Spannung). Je nachdem, wie diese Kräfte gerichtet sind, wird der Körper gedehnt, komprimiert oder verzerrt. Eine physikalische Größe, die wie die Kraft erst durch die Angabe von Zahlenwert, Einheit und Richtung festgelegt ist, nennt man eine vektorielle Größe. Solche Größen kann man als Pfeile darstellen. In einem kartesischen Koordinatensystem hat ein Kraftvektor drei Komponenten: :F = (Fx; Fy; Fz) Hier und im Folgenden kennzeichnen wir Vektoren durch Fettdruck. Um beispielsweise die Gewichtskraft FG zu beschreiben, mit der ein Körper der Masse m von der Erde angezogen wird, wählt man ein Koordinatensystem mit vertikaler z-Achse und erhält (mit der Erdbeschleunigung g) :FG=(0; 0; m · g). Um mechanische Spannungen zu beschreiben, muss man Kraft sogar als ein vektorielles Feld auffassen: in jedem Angriffspunkt, bezeichnet durch den Ortsvektor r, kann prinziell eine andere Kraft F(r) herrschen.

Kraft in den newtonschen Gesetzen

Zum vektoriellen Charakter der Kraft gehört, dass sich entgegengerichtete Kräfte nach den Regeln der Vektoraddition aufheben können. Ist das der Fall, herrscht ein Kräftegleichgewicht. Ein Körper bewegt sich geradlinig, solange die auf ihn wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Insbesondere bleibt ein ruhender Körper in Ruhe. Auf diesem ersten newtonschen Axiom beruht die gesamte Statik. Nach dem zweiten newtonschen Axiom bewirkt eine Kraft F, die auf einen freien Körper ausgeübt wird, eine Änderung von dessen Impuls p: in jedem infinitesimal kurzen Zeitraum dt ändert sich der Impuls des Körpers um dp gemäß :F = d p / d t. Der Impuls eines Körpers hängt über p = m v mit Masse m und Geschwindigkeit v zusammen; da die Masse des Körpers in den meisten Anwendungen konstant bleibt (bekannte Ausnahme: die Herleitung der Raketengleichung), schreibt man das zweite newtonsche Axiom meistens in der Form :F = m d v / d t = m · a wobei a für die auf den Körper wirkende Beschleunigung steht. Diese Gleichung ist der Prototyp einer Bewegungsgleichung: wenn die Kraft F(r; t), sowie die Anfangsposition und Anfangsgeschwindigkeit eines Körpers gegeben sind, dann legt die Gleichung F = m · a den gesamten weiteren Bewegungsverlauf des Körpers fest. Die Hauptaufgabe der theoretischen Mechanik besteht darin, mit Hilfe der Vektoranalysis oder unter Nutzung des Lagrange- oder Hamilton-Formalismus diese Berechnung tatsächlich auszuführen. Die grundsätzliche, wenn auch nicht praktische Möglichkeit, aus gegebenen Anfangsbedingungen und Kräften die Bewegung beliebig komplizierter Systeme vorauszuberechnen, trug im 18. Jahrhundert zur Verbreitung eines mechanistischen Weltbildes bei. Das mechanistische Weltbild erklärt gut konservative Systeme, aus denen keine Energie entweicht. In der Praxis kommen jedoch nicht nur konservative Kräfte vor, sondern auch Reibungskräfte, die zur Erzeugung von Wärme führen, was nichts anderes ist, als ungeordnete Bewegung auf mikroskopischem Niveau. Die Entropie jedes Systems erhöht sich somit unumkehrbar, man spricht auch vom Wärmetod. Die Thermodynamik ergänzt die Mechanik entsprechend. Die Paradoxa der statistischen Mechanik, die Quantenmechanik und die Chaostheorie zeigten seit ungefähr 1900 grundsätzliche Grenzen der Berechenbarkeit in Modellen der klassischen Physik auf.

Messung von Kräften

Die Definition der SI-Einheit Newton als abgeleitete Einheit, 1 N = 1 kg · m / s², beruht auf der Möglichkeit, gemäß F = m · a eine Kraft über die von ihr verursachte Beschleunigung zu messen. Im Schulunterricht und in einigen anspruchslosen Anwendungen der Mechanik misst man Kräfte hingegen über die Verformung von Federn (die letztlich gegen F = m · a kalibriert sind). Dabei nutzt man das Hooke'sche Gesetz, demzufolge eine nicht zu starke Ausdehnung (Überdehnung) einer Spiralfeder der ausgeübten Kraft proportional ist. Die Kraft für das Zusammendrücken oder Auseinanderziehen ist jeweils: F = k · s, wobei s die Verlängerung oder Verkürzung in beispielsweise Zentimetern [cm] ist. Der Ausdruck k steht für die Federeigenschaft (weich oder hart), der sogenannten Federkonstante mit der Einheit [kp/cm]. Ist der Federweg z. B. 10 cm bei einer Feder mit k = 5 kp/cm, dann ist das Produkt F = 5 kp/cm · 10 cm = 50 kp

Verschiedene Kräfte

Gewichtskraft, träge und schwere Masse, ultra schwere Masse

Die Gravitation macht sich als Schwerkraft oder, gleichbedeutend, Gewicht oder Gewichtskraft bemerkbar. Gewichtskraft ist die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Diese Kraft ist proportional zur Masse m des Körpers, :FG = m · g. Der Proportionalitätsfaktor g ist schwach ortsabhängig; im Schulunterricht wird er daher Ortsfaktor genannt. Er hat in Mitteleuropa den ungefähren Zahlenwert g = 9,81 N / kg; für viele Anwendungen genügt es, mit der Näherung 10 N/kg zu rechnen. Wenn man FG in die linke Seite der newtonschen Bewegungsgleichung F = m · a einsetzt, erhält man m · g = m · a, wobei g für einen senkrecht nach unten gerichteten Vektor mit Betrag g steht. Aus dieser Beziehung kürzt sich die Masse m heraus, so dass man den Ortsfaktor g als eine Beschleunigung, die Erdbeschleunigung, identifizieren kann; folglich gibt man g auch in der Einheit m/s2 an. Dass die Masse eines Körpers sowohl in die Bewegungsgleichung F = m · a als auch in die Gewichtskraft FG = m · g eingeht, ist vielleicht der erstaunlichste Befund der newtonschen Mechanik. Man hat zwischen träger Masse (in der Bewegungsgleichung) und schwerer Masse (in der Bestimmung der Gewichtskraft) unterschieden und experimentell Abweichungen gesucht, aber nicht gefunden. Erst mit der allgemeinen Relativitätstheorie wurde erklärt, warum träge und schwere Masse tatsächlich exakt übereinstimmen.

Elektromagnetische Kräfte

Elektromagnetische Kräfte können als Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern oder zwischen Magneten beobachtet werden. Viel bedeutsamer ist aber, dass solche Kräfte auch im Inneren von Materie wirken. Unsere Stoffwelt ist zusammengesetzt aus elektrisch positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Positive und negative Ladungen kompensieren sich gegenseitig, so dass Alltagsgegenstände als ganze in der Regel elektrisch ungeladen sind. Selbst in elektrostatisch aufgeladenen Gegenständen herrscht, relativ gesehen, nur ein ganz geringer Elektronenüber- oder unterschuss. Deshalb sind die im Inneren von Materie wirkenden Kräfte um viele Größenordnungen stärker als elektrostatische Kräfte zwischen Alltagsgegenständen. Im wesentlichen bestehen die elektromagnetischen Kräfte im Inneren von Materie aus der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung zwischen Elektronen und Atomkerne sowie aus der Lorentzkraft, die auf in Magnetfeldern bewegte Elektronen wirkt. Diese fundamentalen Kräfte machen sich in vielfältiger Weise bemerkbar:
- als Widerstand, den ein Körper einer Verformung entgegensetzt (Federkraft, Kompressibilität, Schubmodul);
- als Reibung zwischen den Oberflächen verschiedener Körper;
- als elektromotorische Kraft, die Elektronen durch einen Leiter treibt;
- in Fluiden als Kompressibilität und Viskosität.

Scheinkräfte

Im einfachsten Anwendungsfall beschreibt die newtonsche Bewegungsgleichung F = m · a die Bewegung eines einzelnen Körpers in einem gegeben Kraftfeld. In dieser Gleichung steht a für die zweite Zeitableitung des Ortsvektors r(t) des Körpers; die Kraft F ist in der Regel orts-, wenn nicht auch noch zeitabhängig. Das volle mathematische Problem der newtonschen Mechanik lautet also, unter gegebenen Anfangsbedingungen r(0) und v(0) aus der vektoriellen Differentialgleichung :F(r(t)) = m · d2 r(t) / d t2 den zeitlichen Verlauf von r(t) zu bestimmen. Die mathematische Struktur dieser Gleichung ist so anspruchsvoll, dass selbst eine so einfach formulierte Aufgabe wie die Berechnung einer Planetenbahn im Feld einer mit 1 / r2 abnehmenden Zentralkraft im gymnasialen Schulunterricht in aller Regel unzugänglich bleibt. Nichtsdestoweniger sind Ergebnisse der newtonschen Mechanik längst in unser Alltagsdenken eingedrungen. Das wurde möglich, indem man an diese Ergebnisse eine eigene Begrifflichkeit geknüpft hat. Diese Begrifflichkeit besteht insbesondere aus einer ganzen Reihe von Scheinkräften, hinter denen sich partielle Lösungen oder Umformungen der newtonschen Gleichung verbergen. Beispiele für solche Scheinkräfte sind
- die Zentrifugalkraft, (Fliehkraft; siehe auch Zentripetalkraft);
- die Coriolis-Kraft;
- diverse Zwangskräfte in der technischen Mechanik. Ein Beispiel für einen anderen Begriff, der eine ganze Klasse von Kraftwirkungen zusammenfasst, ist das Drehmoment.

Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte, Auflagerkräfte

Um in der Technischen Mechanik technische Systeme (z. B. Tragwerke) einer Berechnung zugänglich zu machen, werden Bindungen zwischen den Körpern des Systems bzw. zwischen dem System und seiner Umwelt, die nur geringe Formänderungen zulassen, als starre Bindungen idealisiert. Solche starren Bindungen sind in der Regel Gelenke zwischen den Körpern oder Auflager. Damit geht der physikalische Charakter dieser Bindungen verloren, und die durch diese Bindungen bedingte mechanische Wechselwirkung der Körper wird durch die Zwangskräfte repräsentiert. Im Gegensatz dazu stehen die eingeprägten Kräfte, die – wie oben erläutert – ihre Ursache in physikalischen Gesetzen haben. Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte erfüllen zusammen die Gleichgewichtsbedingungen.

Weblinks


- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m06_hooke.htm Krafteinführung und Gesetz von Hooke]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m07_zus_zerl.htm Kraftaddition und Zerlegung] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mechanik ja:力 simple:Force (physics)

Schwerkraft

Unter Schwerkraft, Schwere oder Erdanziehung versteht man die Kraft, die auf einen Körper auf der Erdoberfläche wirkt. Sie setzt sich zusammen aus der durch die Gravitation bewirkten Anziehungskraft der Erde und der durch die Erdrotation bewirkten Zentrifugalkraft. Der Begriff Schwerkraft wird auch oft synonym für Gravitation verwendet. Im folgenden ist nur von Schwerkraft im Sinne von Erdanziehung die Rede. Die Schwerkraft verleiht den Körpern ihr Gewicht. Während Schwerkraft das Grundphänomen bezeichnet, ist das Gewicht eine Eigenschaft, die einem konkreten Körper zugeordnet wird. Die Schwerkraft ist die Ursache der Erdbeschleunigung oder Fallbeschleunigung, die ein frei fallender Körper auf der Erdoberfläche erfährt, der außer der Schwerkraft keiner weiteren Kraft ausgesetzt ist. Dabei ist die auf einen Körper wirkende Schwerkraft gleich dem Produkt aus seiner Masse und der Erdbeschleunigung. Die lokale Variation der Schwerkraft und damit auch der Erdbeschleunigung entspricht dem des Erdschwerefeldes. Sie ist hauptsächlich eine Folge der Zentrifugalkraft und der Abplattung der Erde und beträgt für verschiedene geografische Breiten 0,5%. Sie hängt auf der Erdoberfläche ferner geringfügig von der Höhe über dem Meer ab.

Siehe auch:


- Schwere Masse
- Schwerefeld
- Schwereanomalie
- Gravimetrie
- Gravimeter Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie

Gas

Gas bezeichnet einen der Aggregatzustände oder einen Stoff, der sich üblicherweise in diesem Aggregatzustand befindet.

Begriffsabgrenzung

Eine Substanz wird als „Gas“ im engeren Sinne bezeichnet, wenn sie bei einer Temperatur von 20 °C (Raumtemperatur) und einem Druck von 1 atm (sog. Standardbedingungen) im gasförmigen Aggregatzustand vorliegt. Allgemeiner bezeichnet man auch den gasförmigen Zustand einer Substanz selbst als Gas, unabhängig von der Temperatur. Zusammen mit den Flüssigkeiten zählt man Gase im Sinne eines gasförmigen Zustandes zu den Fluiden.

Eigenschaften

Fluid Der idealisierte gasförmige Aggregatzustand, man spricht von einem idealen Gas, zeichnet sich durch die vollkommen freie Beweglichkeit der einzelnen Atome und/oder Moleküle entsprechend der kinetische Gastheorie aus. Dies hat zur Folge, dass ein Gas kompressibel ist, also sein Volumen dem herrschenden Druck anpasst und gilt bis auf wenige Einschränkungen auch für reale Gase. Gase besitzen dabei auch Eigenschaften von Flüssigkeiten: sie haben die Fähigkeit zu fließen und widerstehen Deformation nicht, obgleich sie über eine Viskosität verfügen. Anders als Flüssigkeiten besitzen Gase jedoch kein festgelegtes Volumen und füllen daher immer den gesamten zur Verfügung stehenden Raum vollständig und gleichmäßig aus. Dies liegt darin begründet, dass das Gesamtsystem den Zustand höchster Entropie anstrebt (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik) und ein solcher Zustand einer statistischen Gleichverteilung der Gasteilchen in diesem Raum entspricht. Den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand bezeichnet man als Kondensation, den Übergang vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand als Resublimation.

Lagerung

Um eine möglichst große Menge an Gas in einen Behälter zu bringen, also eine hohe Dichte zu erhalten, wird das Gas stark komprimiert. Damit der Behälter dabei dem Gasdruck standhält, werden meist zylinderförmige oder kugelförmige Körper wie bei Gasflaschen, Gaskesseln oder ehemals Gasometern eingesetzt. Der Gasdruck selbst ist ein hydrostatischer Druck.

Verwandte Themen


- Dampf ist ein Stoff in gasförmigem Zustand, der üblicherweise fest oder flüssig ist.
- Liste der Dichte gasförmiger Stoffe
- Angabe der Stoffreinheit bei technischen Gasen
- Spezielle Arten von Gasen und Gasgemischen, siehe :Kategorie:Gas.
- Physikalische Eigenschaften von Gasen, siehe Gasgesetze.

Weblinks

Kategorie:Chemie Kategorie:Thermodynamik ja:気体 ko:기체 ms:Gas simple:Gas

Volumen

Das Volumen (Formelzeichen: V) ist der räumliche Inhalt eines Körpers. Die SI-Einheit für das Raummaß ist das Kubikmeter (Einheitenzeichen m3). Vereinzelt liest man noch die veralteten Abkürzungen cbm für m³ und ccm für cm³. Die Schreibweise m^3 sollte nur noch dann benutzt werden, wenn das Anzeigesystem keine hochgestellten Exponenten anzuzeigen vermag.

Geschichte

Die ersten bekannten Formeln zur Volumenbestimmung (auch Stereometrie) stammen schon aus dem frühen Ägypten. Das Moskauer Papyrus ist eine Sammlung von Rechenaufgaben und ist etwa auf das Jahr 1850 v. Chr. datiert. Unter anderem sind hier die Formeln für die Bestimmung der Volumina für Rechteckkegel beschrieben. Die Bestimmung wurde durch Analyse und anschließender Synthese erreicht. Das heißt, der Körper wurde in mehrere bekannte Körper zerlegt und die Einzelvolumina addiert.

Messmethoden

Im Laufe der Zeit haben sich ganz unterschiedliche Methoden zur Bestimmung von Volumina entwickelt:
- Auslitern: Der Körper wird mit Sand oder Wasser gefüllt, dessen Menge anschließend in einem bekannten Gefäß bestimmt wird; somit lässt sich bei Gefäßen das Volumen ihres Innenraumes bestimmen.
- Wasserverdrängung: Der Körper wird in ein vollständig mit Wasser gefülltes Gefäß eingetaucht. Das übertretende Wasser wird anschließend in einem bekannten Gefäß gemessen.

Algebraische Berechnung

In der Theorie kann aus bekannten Ausmaßen und Form des Körpers ebenfalls das Volumen durch Rechnung nach für den entsprechenden Körper gültigen Formeln bestimmt werden: Beispiele:
- Quader mit den Kanten a,b und c:
V = a\cdot b\cdot c
- Würfel mit der Kantenlänge a:
V = a\cdot a\cdot a = a^3
- Kugel mit dem Radius r:
V = \pi \cdot r^3
- Rotationskörper der Funktion f(x) bei Rotation um die x-Achse:
V = \pi \cdot \int_ ^b (f(x))^2\mathrmx
- Körper, bei Schnitten orthogonal zur x-Achse Hat ein Körper die stetige Querschnittsfunktion x-> f(x) mit x im Intervall(a;b) dann hat er das Volumen:
V = \int_ ^b f(x)\mathrmx
- Zylinder mit der Grundfläche A und der Höhe  h:
V = A\cdot h
- Kegel mit der Grundfläche A und der Höhe  h:
V = A\cdot \frac

Sonstiges

Auch außerhalb der Mathematik findet sich der Begriff Volumen, z.B. im
- Haarvolumen (Fülle des Haars)
- Teil (eigentlich: "Band") eines mehrbändigen Werkes im (Buchwesen), abgeleitet vom englischen "volume"
- Menge von Daten in Bezug auf Transferkapazität oder Speicherplatz (Informatik)
- Zu den Grenzen des Volumenbegriffs der Mathematik bei Verwendung in der tatsächlichen Welt siehe Banach-Tarski-Paradoxon und Maßtheorie Kategorie:Raumgeometrie Kategorie:Analysis Kategorie:Physikalische Größe ja:体積 simple:Volume

Ballon

Ein Ballon // (süddt., österr. und schweiz. //) ist ein gasdichter Beutel, der meistens mit Luft (Heißluftballon, Luftballon) oder einem leichten Traggas wie Helium oder Wasserstoff gefüllt wird (Gasballon). Er kann in gefülltem Zustand verschlossen sein und dabei auch unter Druck stehen oder mit der Öffnung nach unten offen sein, so dass das leichte Gas nicht entweichen kann. Bis in das 20. Jahrhundert wurden Ballone und Luftschiffe auch als Aerostaten bezeichnet.

Funktionsweise

Aerostat Ist der Ballon mit erhitzter Luft oder leichtem Gas gefüllt, so dass sein Gesamtgewicht (bestehend aus Nutzlast, Hülle, Füllung) geringer ist als das Gewicht der Luft, die er verdrängt, verfügt er über statischen Auftrieb. Auch Ballons, die mit Luft oder mit einem Gas, das schwerer als Luft gefüllt sind, können kurzzeitig fliegen und zwar entweder indem man das Ballongas aus ihnen entweichen lässt, wobei der Ballon in Folge des auftretenden Rückstoßes vom Boden abhebt, oder in Form des Ballonhelikopters. Weil aber auf diese Weise nur kurze Flugzeiten (maximale Dauer eine Minute) und geringe Flughöhen möglich sind, spielen diese Möglichkeiten des Ballonflugs nur bei Spielzeugen und zur Demonstration des Hubschrauberprinzips bzw. des Rückstoßantriebs eine Rolle.

Ballongas

Ballongas ist ein Gas, das aus einem Helium-/Luftgemisch besteht. Der einzige Unterschied zwischen Ballongas und Helium ist die Reinheit. Für Ballons, die nicht fliegen sollen, wird meist Luft, Stickstoff oder seltener Lachgas verwendet; für Ballons, die fliegen sollen hingegen ein Traggas wie Helium oder Ballongas. Aus Gründen des Brandschutzes werden heute nur Helium oder Gemische aus Helium und Luft verwandt. Früher waren aber Ballone mit Wasserstofffüllung üblich, und alle deutsche Zeppeline vor dem 2. Weltkrieg fuhren mit Wasserstoff. Siehe auch: Traggas

Geschichte

Traggas Ein Pionier der Ballontechnologie war der französische Physiker Jacques Charles, der mit verschiedenen Füllgasen experimentierte und am 3. Dezember 1783 in Paris eine erste Ballonfahrt unternahm. Bereits am 4. Juni desselben Jahres war den Flugpionieren Joseph Michel und Jacques Etienne Montgolfier der Flug im ersten Heissluftballon der Welt, der Montgolfière, geglückt. Am 5. September 1862 stiegen der Meteorologe James Glaisher und sein Pilot Henry Coxwell in einem Ballon mit offener Kabine bis auf 11.300 m auf. Glaisher verlor wegen der dünnen Luft das Bewusstsein und Coxwell konnte nur mit letzter Kraft mit den Zähnen das Steuerventil öffnen, um den Ballon zum Absinken zu bringen. Erstmals mit luftdicht verschlossener Kabine stieg der Physiker Auguste Piccard 1932 bis auf 16.201 m (Luftdruckmessung) bzw. 16.940 m (geometrische Messung) Höhe. Den Rekord halten Malcolm D. Ross und Victor E. Prather, die 1961 über dem Golf von Mexiko auf 34.668 m Höhe stiegen. Den Höhen-Weltrekord für unbemannte Ballone hält nach der Ausgabe des Guinness-Buchs von 1991 mit 51,8 Kilometern ein Winzen-Ballon mit einem Volumen von 1,35 Millionen Kubikmetern Volumen, der im Oktober 1972 in Chico, Kalifornien, USA, gestartet wurde. Dies ist die größte Höhe, die ein Flugkörper erreicht hat, der zum Fliegen primär auf das Medium Luft angewiesen ist. Nur Raketen, Raketenflugzeuge und Geschosse können größere Höhen erreichen. Die sowjetische Venussonde Vega setzte 1984 in der Atmosphäre der Venus zwei Wetterballons aus, die über zwei Tage hinweg vom Mutterschiff verfolgt werden konnten.

Arten und Verwendung

Freiballons sind im Gegensatz zu Fesselballons nicht mit dem Erdboden verbunden. Sie werden vom Wind durch die Luft getrieben. Fesselballon

kleine Ballons (Inhalt einige Liter)


- Luftballon
    - Spielzeug, zum Beispiel Ballonhelikopter oder Wasserbombe
    - Dekoration
    - Ballonpost im Rahmen von Ballonwettbewerben und als Träger von Propagandamaterial
    - Fetischobjekt für sogenannte Looner
- Solarballon
- Gärballon (großes Gefäß aus Glas, auch Weinballon genannt) (Hier trifft obige Definition mit statischem Auftrieb nicht exakt zu.)
  - Demonstration des Rückstoßantriebs durch Ausströmenlassen des Gases (Ballonrakete) Ballonrakete

mittlere Ballons (Inhalt einige hundert bis 4000 Liter)


- Transport und Abwurf von Brandbomben (im Zweiten Weltkrieg, siehe auch: FUGU-Ballon)
- Transport und Abwurf von Flugblättern (im Zweiten Weltkrieg und im Kalten Krieg)
- Transport von Messgeräten, beispielsweise Wettersonden (siehe: Wetterballon)
- als Fesselballon (zum Beispiel Werbeträger)
- zum Hochschleppen von Drahtantennen für mobile Lang- und Längstwellensender
- Partyballon (kleiner Heißluftballon)
- als Deckenballon zur Messung der Wolkenhöhe
- als FlyingScreen Ballon [http://www.flyingtv.de FlyingScreen]zur Darstellung von Filmen und Bewegt Bildern an schwer zugänglichen Orten und zu Werbezwecken. Deckenballon

große Ballons (Inhalt 2200 bis 12000 Kubikmeter)


- als Fesselballon
  - manntragender Beobachtungsballon (bis zum Zweiten Weltkrieg)
  - Sperrballon zur Abwehr von feindlichen Flugzeugen (Zweiter Weltkrieg)
  - zum Positionieren von Atombomben für die Durchführung oberirdischer Atombombentests
- Personenbeförderung
  - Heißluftballon
  - Gasballon (beispielsweise Wasserstoffballon)
  - lenkbare Ballons - siehe Luftschiff
- Forschungsballon zur (meistens Heliumfüllung) Atmosphären- und Stratosphärenforschung (z.B. die Manhigh-Flüge der USA), im Unterschied zum Wetterballon mit aufwändiger Instrumentierung. Auch als Träger von ferngesteuerten Teleskopen, Project Stratoscope
- Spionageballon Im Kalten Krieg wurden Höhenballons von den USA als Kameraträger zur militärischen Aufklärung verwendet.
- als Rockoon zum Start von Raketen
- als Träger von Atombomben für Atombombentests in der höheren Atmosphäre Rakete Eine weitere Anwendung ist der - wie jeder Satellit mit einer Rakete in den Orbit geschossene - Ballonsatellit, der nur zum Erreichen eines großen Volumens mit winzigen Mengen Gases gefüllt ist.

Literatur


- Eine beachtenswerte Abhandlung zur Geschichte der Ballonfahrt findet sich in dem Buch von Andreas Venzke: Pioniere des Himmels; Verlag Artemis und Winkler 2002 ISBN 3-53807-143-8

Weblinks


- [http://lcweb2.loc.gov/pp/tiscquery.html Library of Congress] Alte Bilder zum Thema Ballon Kategorie:Ballon ja:風船

Helium

Helium - der Name stammt vom altgriechischen Wort ἥλιος (hélios) = Sonne - ist das zweitleichteste chemische Element und wurde erstmals aufgrund seiner Spektrallinien im Licht der Sonne nachgewiesen. Helium ist das leichteste Edelgas; sein Elementsymbol ist He. Das farb- und geruchlose sowie ungiftige Gas ist inert, das heißt es geht nur unter extremen Bedingungen einige wenige chemische Verbindungen ein, die alle unter Normalbedingungen instabil sind. Anwendung findet Helium zum Beispiel in flüssiger Form als Kühlmittel, in gasförmigem Zustand dient es als Traggas für Gasballone und Luftschiffe. Helium ist auch für die Theoretische Chemie und die Atomphysik von besonderem Interesse. Das Heliumatom ist das erste Element das aus mehr als zwei Teilen, dem Kern und zwei Elektronen, besteht, weshalb die atomare Schrödingergleichung, anders als beim Wasserstoff, nicht mehr exakt gelöst werden kann.

Aufbau

Bohrsches Atommodell

Wasserstoff Nach dem veralteten Bohrschen Atommodell besteht ein Heliumatom aus einem Atomkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebaut ist, sowie zwei Elektronen, die auf der ersten Elektronenschale um den Atomkern kreisen.

Molekülorbital-Modell

Beim Helium ist das 1s-Orbital mit einem Elektronenpaar besetzt. Bei der Kombination zweier dieser Atomorbitale ist sowohl das bindende als auch das antibindende Molekülorbital mit je einem Elektronenpaar besetzt. Ihre Wirkungen heben sich gegenseitig auf, es kommt keine Bindung zustande.

Eigenschaften

Im gasförmigen Zustand

Helium ist nach Wasserstoff das chemische Element mit der geringsten Dichte und besitzt die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente. Daher existiert es nur unter sehr extremen Bedingungen als Flüssigkeit oder Feststoff. Ein Kubikmeter Helium hat bei normalem Druck und einer Temperatur von 20 °C eine Masse von nur 179 g. Luft ist dagegen sieben mal so schwer. Helium ist ein Edelgas, das heißt, dass dieses Gas aufgrund seiner voll besetzten äußersten Elektronenschale chemisch sehr reaktionsträge ist. Es ist jedoch möglich, unter extremen Bedingungen eine chemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH+) zu erzeugen. Diese Verbindung ist bei Normalbedingungen sehr instabil und kann nicht in Form eines Salzes wie HeH+X- isoliert werden. :\mathrm :In einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bildet sich während einer elektrischen Entladung ein Heliumhydrid-Ion Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird. :\mathrm Wie alle anderen Edelgase hat Helium metastabile Energieniveaus, die es dem Element erlauben, ionisiert zu bleiben, selbst wenn es sich in einem elektrischen Feld mit einer Spannung befindet, die unter ihrem Ionisationspotenzial liegt. Wenn es nicht ionisiert ist, ist Helium ein guter elektrischer Isolator.

Im flüssigen Zustand

Helium I

Unter dem Siedepunkt bei 4,21 Kelvin und über dem Lambdapunkt bei 2,1768 Kelvin ist das Isotop 4He eine farblose Flüssigkeit. Es wird Helium I genannt. Wie andere extrem kalte Flüssigkeiten siedet Helium I, wenn es erhitzt wird, und zieht sich zusammen, wenn seine Temperatur verringert wird. Bei Erreichen des Lambdapunktes expandiert es spontan. Der Grad der Expansion verringert sich, bis ungefähr 1 Kelvin erreicht werden. Bei dieser Temperatur stoppt die Expansion, und das Helium beginnt, sich wieder zusammenzuziehen.

Helium II

Flüssiges 4Helium entwickelt unterhalb seines Lambdapunktes sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Helium mit diesen Eigenschaften wird als Helium II bezeichnet. Das Sieden von Helium II ist wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit nicht mehr möglich; Erhitzung bewirkt stattdessen eine direkte Verdampfung der Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand. Helium II ist ein superfluider Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10-7 bis 10-8 Meter und hat keine messbare Viskosität. Jedoch konnte bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben eine Viskosität ähnlich der von gasförmigen Helium festgestellt werden. Dies wird mit einer Theorie erklärt, nach der sich in flüssigem Helium unterhalb des Lambdapunktes sowohl ein Anteil an Heliumatomen ohne jegliche Viskosität und ein Anteil von Heliumatomen mit Viskosität befindet. Viskosität Helium II zeigt wie andere superfluide Flüssigkeiten den Onnes-Effekt: Wenn eine Oberfläche aus dem Helium hinausragt, bewegt sich das Helium auf dieser entlang. Helium II entweicht auf diese Weise aus einem Behälter, der nicht versiegelt ist. Wenn es einen wärmeren Bereich erreicht, verdunstet es. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit des Heliums II, selbst durch kleinste Öffnungen auszulaufen, ist es sehr schwierig, flüssiges Helium in einem begrenzten Raum zu halten. Es ist ein sehr sorgfältig zu konstruierender Behälter nötig, um Helium II aufzubewahren, ohne dass es entweicht oder verdunstet. Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die jeder anderen bekannten Substanz. Sie ist eine Million mal höher als die von Helium I und mehrere hundert Mal höher als die des Kupfers. Sie ist so hoch, weil die Wärmeübertragung durch quantenmechanische Effekte bestimmt wird. Die meisten gut wärmeleitenden Materialien besitzen ein Valenzband freier Elektronen, die die Hitze gut leiten. Helium II hat kein solches, aber leitet Hitze dennoch mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde bei 1,8 Kelvin. Dieser Vorgang kann durch eine Wellengleichung beschrieben werden. 1971 gelang David M. Lee, Douglas D. Osheroff und Robert C. Richardson, das Helium-Isotop 3He ebenfalls in einen superfluiden Zustand zu versetzten. Dieses gelang ihnen, nachdem sie das Isotop unter die Temperatur von 2,6 Millikelvin abkühlten. Dabei geht man davon aus, dass zwei Atome 3He ein Paar bilden, ähnlich einem Cooper-Paar. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und ein Drehmoment. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 den Nobelpreis für Physik.

Im festen Zustand

Helium kann nur unter großem Druck und bei sehr niedrigen Temperaturen verfestigt werden. Festes Helium benötigt eine Temperatur von 1 bis 1,5 K und ungefähr 26 bar an Druck. Der bei der Verfestigung entstehende, sehr stark durchsichtige Feststoff ist sehr stark komprimierbar. Im Labor kann dessen Volumen um bis zu 30 % verringert werden. Es ist mehr als 50 Mal besser komprimierbar als Wasser. Festes Helium bildet kristalline Strukturen aus. Festes und flüssiges Helium sind optisch kaum voneinander zu unterscheiden, da ihr Brechungsindex fast der selbe ist.

Elektronische Zustände des Heliums

Abhängig von der Spinorientierung der zwei Elektronen des Heliumatoms spricht man vom Parahelium im Falle von zwei antiparallelen Spins (S=0) und von Orthohelium bei zwei parallelen Spins (S=1). Beim Orthohelium befindet sich eines der Elektronen nicht im 1s-Orbital, da dies das Pauli-Verbot verletzen würde. Die Benennung dieser Zustände geht auf einen früheren Irrtum zurück: Da der elektromagnetische Übergang zwischen dem "Grundzustand" des Orthoheliums und dem Grundzustand des Paraheliums (also dem Helium-Grundzustand) verboten ist, erscheinen die beiden "Varianten" des Heliums spektroskopisch wie zwei unterschiedliche Atome. Dies führte dazu, dass Carl Runge und Louis Paschen postulierten, Helium bestehe aus zwei getrennten Gasen, Orthohelium ("richtiges Helium") und Parahelium (für das sie den Namen "Asterium" vorschlugen).

Isotope des Heliums

3He und 4He

Obwohl acht Isotope Heliums bekannt sind, sind davon lediglich 3He und 4He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million 4He-Atome nur ein 3He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind 3He-Atome hundert Mal häufiger. In Gesteinen der Erdkruste und des Erdmantels liegt die Proportion ebenfalls weit über dem atmosphärischen Wert und variiert je nach Herkunft um den Faktor 10. Diese Variationen werden in der Geologie benutzt, um die Herkunft des Gesteines zu klären (siehe auch Natürliches Vorkommen). Gleiche Anteile von flüssigem 3He und 4He unter 0,8 Kelvin trennen sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unvermischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dies geschieht, weil 3He-Atome Fermionen und 4He-Atome Bosonen sind.

Hypothetisches Diproton

Ein besonderes, fiktives Isotop des Heliums ist das Diproton, dass, im Falle seiner Existenz, lediglich aus 2 Protonen und 2 Elektronen bestehen würde. Dieses ist jedoch nicht möglich, da die gegenseitige Anziehung der Protonen durch die starke Kernkraft in diesem Fall nicht ausreicht, um die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den beiden Protonen zu kompensieren. Die Neutronen sind notwendig, um als "Kitt" den Atomkern zusammenzuhalten.

Entdeckung und Erforschung

Diproton Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben Spektrallinie bei einer Wellenlänge von 587,49 Nanometern im Spektrum der Chromosphäre der Sonne. Diese Beobachtung machte der französische Astronom Pierre Janssen während einer totalen Sonnenfinsternis in Indien am 18. August 1868. Als er seine Entdeckung bekannt machte, wollte ihm zunächst niemand glauben, da bislang noch nie ein neues Element im Weltall gefunden wurde, bevor der Nachweis auf der Erde geführt werden konnte. Am 20. Oktober des selben Jahres bestätigte der Engländer Norman Lockyer, dass die gelbe Linie tatsächlich im Sonnenspektrum vorhanden ist und schloss daraus, dass sie von einem bislang unbekannten Element verursacht wurde. Weil diese Spektrallinie nahe an der so genannten "Fraunhofer D"-Linie lag, nannte er die Linie D3, um sie von den nahe liegenden D1- und D2-Linien des Natriums unterscheiden zu können. Er und sein englischer Kollege Edward Frankland schlugen vor, das neue Element nach dem griechischen Wort für Sonne zu benennen. Da sie annahmen, dass es sich bei dem Element um ein Metall handelte, hängten sie dem Elementsnamen das Suffix -ium an. Edward Frankland Am 26. März 1895 isolierte der britische Chemiker William Ramsay Helium, indem er das Uran-Mineral Cleverit mit Mineralsäuren versetzte und das dabei austretende Gas isolierte. Er war auf der Suche nach Argon, konnte jedoch die gelbe D3-Linie beobachten, nachdem er Stickstoff und Sauerstoff von dem isolierten Gas getrennt hatte. Die selbe Entdeckung machten fast zeitgleich der britische Physiker William Crookes und die schwedischen Chemiker Per Teodor Cleve und Nicolas Langlet in Uppsala in Schweden. Diese sammelten ausreichende Mengen des Gases um dessen Atommasse feststellen zu können Bei einer Ölbohrung in Dexter in Kansas wurde eine Erdgasquelle gefunden, dessen Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen Chemiker Hamilton Cady und David McFarland der Universität von Kansas fanden heraus, dass es sich dabei um Helium handelte. Sie publizierten eine Meldung, dass Helium aus Erdgas gewonnen werden kann. Im selben Jahr stellten Ernest Rutherford und Thomas Royds fest, dass Alphateilchen Heliumkerne sind. Die erste Verflüssigung Heliums wurde 1908 vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes durchgeführt, indem er das Gas auf eine Temperatur von unter 1 Kelvin kühlte. Er versuchte ebenfalls, es durch eine Temperatur von 0,8 K zu verfestigen, scheiterte jedoch, da Helium nur bei Druck verfestigt werden kann. Onnes beschrieb ebenfalls zum ersten Mal den heute nach ihm benannten Onnes-Effekt. Die erste Verfestigung wurde 1926 von Onnes' Student Willem Hendrik Keesom durchgeführt, der Helium auf eine ähnliche Temperatur abkühlte und einen Druck von 25 bar anwandte.

Vorkommen

Natürliches Vorkommen

Im Weltall

Willem Hendrik Keesom Entsprechend der Urknalltheorie entstand der größte Teil des heute im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Das große Vorkommen im Universum unterstützt die Urknalltheorie. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der sichtbaren Materie bestehen aus Helium, obwohl Wasserstoffatome 8 mal häufiger sind. Außerdem wird Helium durch Kernfusion in Sternen produziert. Dieses so genannte Heliumbrennen liefert die Energie, die die Sterne auf der Hauptreihe, also die Mehrheit aller Sterne, zum Leuchten bringt. Die ansteigende Heliumkonzentration im Kern spiegelt sich allerdings erst in den Spätphasen der Sternentwicklung wieder, da sich vorher die Materie im Kern und an der Oberfläche kaum durchmischt. Im Verlauf der Zeit reichern die entwickelten Sterne durch Sternwinde und Supernovae die interstellare Materie mit Helium und schwereren Elementen an, so dass später entstandene Sterne auch ein größeren Anteil and Helium und schwereren Elementen haben. Auf Sternoberflächen und in Nebeln kommt Helium bevorzugt neutral oder einfach ionisiert vor. Anders als in der Physik und Chemie üblich, wird in der Astronomie aber nicht die Notation mit hochgestelltem "+" (He+) verwendet, da andere Elemente so hochionisiert vorkommen können, dass diese Notation unpraktisch wird, z.B. sechszehnfach ionisiertes Eisen in der Sonnenkorona. Daher werden Ionisationsstufen in der Astronomie mit römischen Ziffern bezeichnet, wobei neutrales Helium als He I bezeichnet wird, einfach ionisiertes entsprechend He II und vollständig ionisiertes als He III. Helium ist auch in verschiedenen Planetatmosphären vorhanden: Wie andere Edelgase auch wird Helium in Meteoriten durch Wechselwirkung (Spallation) mit Kosmischer Strahlung erzeugt. Besonders 3He kann deswegen benutzt werden, um sogenannte Bestrahlungsalter, welches meist dem Zeitraum zwische dem Losschlagen des Meteoriten vom Mutterköper bis zu seiner Ankunft auf der Erde enstpricht, zu bestimmen. Daneben entsteht 4He in Meteoriten durch Zerfall schwerer radioaktiver Elemente. Auch gibt es in Meteoriten weitere Heliumanteile, welche aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems stammen, zum Teil aber auch aus dem Sonnenwind aufgefangen wurden. Ähnliches gilt auch für Mondgestein, welches von der Oberfläche des Mondes stammt. Da dieses oft sehr lange dem Sonnenwind bzw. der Kosmischen Strahlung ausgesetzt war ist solches Mondgestein besonders reich an Helium, insbesondere dem Isotop 3He.

Auf der Erde

Sonnenwind 4He entsteht im Erdinneren beim radioaktiven Zerfall (Alphazerfall) schwerer Elemente wie Uran oder Thorium, wobei Helium-Kerne als Alphateilchen ausgesandt werden und anschließend Elektronen einfangen. Es kann in verschiedenen uran- und thoriumhaltigen Mineralen wie der Pechblende gefunden werden. Aus der Entstehungszeit der Erde stammt ein Anteil von 3He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt; das 4He/3He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im wesentlichen durch 4He aus Alpha-Zerfällen wiederaufgefüllt wird, bei etwa 86.000. Wenn das Konvektionssystem des unteren Erdmantels weitgehend von dem des oberen getrennt und der Massenaustausch zwischen beiden entsprechend gering ist, liegt das Verhältnis im unteren, kaum entgasten Mantel zwischen 2500 und 26.000, d. h. der Anteil von 3He ist noch höher. Von besonderem geodynamischen Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen von Hotspot-Vulkanismus: während für Basalte von mittelozeanischen Rücken, die durch Schmelzprozesse von Material des oberen Mantels entstehen, 4He/3He = 86.000 typisch ist, weisen Basalte von einigen Hotspots, z. B. ozeanischen Vulkaninseln wie Hawaii und Island, Werte auf, die um etwa das drei- bis vierfache niedriger liegen. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durch Mantelplumes verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen. Helium kommt in geringen Mengen in der Erdatmosphäre (5,2 ppm) sowie in Erdgas und Erdöl (0,4 %) vor. Der Anteil Heliums an der Erdatmosphäre ist so niedrig, da das meiste Helium, das auf der Erde entsteht, wegen seiner Leichtigkeit und aufgrund der Tatsache, dass es sich kaum mit anderen Elementen verbindet, in den Weltraum entweicht. Ungefähr 1000 Kilometer über dem Meeresspiegel ist Helium das vorherrschende Element, da es sich dort ansammelt.

Künstliche Gewinnung

Erdgas mit einem Heliumanteil von bis zu 7 Prozent ist der größte und wirtschaftlich wichtigste Heliumlieferant. Da Helium sehr niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen besitzt, sind sehr hoher Druck und sehr niedrige Temperaturen nötig, um es von den anderen, im Erdgas enthaltenen Stoffen wie Kohlenwasserstoffen und Stickstoffverbindungen zu trennen. Viele Jahre lang gewannen die USA über 90 Prozent des kommerziell benutzbaren Heliums der Welt. Noch 1995 wurden in den USA insgesamt eine Milliarde Kubikmeter Helium gefördert. Der restliche Anteil wurde von Förderungsanlagen in Kanada, Polen, Russland (wobei große Mengen in den völlig unzugänglichen Gebieten Sibiriens liegen) und anderen Ländern geliefert. Nach der Jahrtausendwende kamen Algerien und Katar dazu. Algerien konnte sich rasch zum zweitwichtigsten Heliumlieferanten entwickeln. 2002 stellte Algerien 16 Prozent des Heliums her, das in der Welt vertrieben wurde. Bei Amarillo in Texas lagerte 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium. Diese ehemals strategische Reserve der amerikanischen Regierung muss jedoch aufgrund des Helium Privatization Act der Clinton-Regierung aus dem Jahr 1996 innerhalb der nächsten Jahre an die Privatwirtschaft abverkauft werden. Das Isotop 3He kann nur aus Kernreaktionen gewonnen werden und ist daher sehr teuer. Es entsteht beispielsweise beim Betazerfall von Tritium: :\mathrm \rightarrow (125~\textrm) \, \mathrm + \beta Tritium und Helium-4 können durch Neutronenbeschuss von Lithium in einem Kernreaktor gewonnen werden: :\mathrm

Geschichte der künstlichen Gewinnung

Im frühen 20. Jahrhundert wurden große Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischen Great Plains gefunden und halfen den Vereinigten Staaten, der führende Weltlieferant für Helium zu werden. Nach einem Vorschlag Sir Richard Threlfalls förderte die US-Navy drei kleine experimentelle Heliumproduktionsbetriebe während des Ersten Weltkrieges. Das Ziel war, Sperrballone mit Helium als Füllgas zu gewinnen. Eine Gesamtmenge von 5700 Kubikmeter Gas mit einem Heliumanteil von 92 Prozent wurde von diesen Betrieben gewonnen, obwohl im Voraus nur wenige hundert Liter des Gases gewonnen worden waren. Kleine Mengen dieses Gases wurden im ersten heliumgefüllten Luftschiff der Welt, dem C-7 der US-Navy, das seine Jungfernfahrt auf der Strecke von Hampton Roads in Virginia nach Boiling Field in Washington, D.C. am 7. Dezember 1921 bestritt, benutzt. Die Regierung der USA ließ 1925 die National Helium Reserve in Amarillo in Texas errichten, um eine Versorgung von militärischen Luftschiffen in Kriegszeiten und Verkehrsluftschiffen in Friedenszeiten zu sichern. Obwohl die Nachfrage nach dem Zweiten Weltkrieg sank, wurde die Förderungsanlage in Amarillo erweitert, damit flüssiges Helium als Kühlmittel für Sauerstoff-Wasserstoff-Raketentreibstoff und andere zu kühlende Gegenstände bereit gestellt werden konnte. Der Heliumverbrauch der USA stieg im Jahr 1965 auf das Achtfache des Spitzenverbrauchs in Kriegszeiten. Nachdem in den USA das "Helium Acts Amendments of 1960" (Public Law 86-777) beschlossen wurde, wurden weitere fünf private Heliumförderanlagen errichtet. Das US-Minenministerium ließ dafür eine 685 Kilometer lange Pipeline von Bushton in Kansas nach Amarillo in Texas bauen. Die Reinheit des gewonnenen Heliums stieg nach dem Zweiten Weltkrieg rasant an. Wurde 1945 noch eine Mischung von 98 Prozent Helium und 2 Prozent Stickstoff für Luftschiffe benutzt, konnte 1949 bereits Helium mit einer Reinheit von 99,995 Prozent kommerziell vertrieben werden. Um einen Reinheitsgrad von 99.995 Prozent zu erreichen, ist Aktivkohle nötig, um verbliebene Verunreinigungen - meistens bestehend aus Neon - zu entfernen.

Verwendung

Neon Unter hohem Druck abgefülltes Helium ist frei verkäuflich und wird aus Erdgas gewonnen. Es wird für viele verschiedene Zwecke benutzt, für die ein Gas mit mindestens einer der vorteilhaften Eigenschaften des Heliums benötigt wird, zum Beispiel sein niedriger Siedepunkt, die geringe Dichte, die geringe Löslichkeit, die hohe Wärmeleitfähigkeit oder sein reaktionsträges Verhalten.
- Helium-Sauerstoff-Gemische (80:20) dienen für Asthmatiker als Beatmungsgas - die Viskosität des Gasgemisches ist wesentlich geringer als die von Luft und es lässt sich daher leichter atmen.
- Beim kommerziellen Tauchen werden verschiedene Gemische mit Helium wie Trimix (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium) als Atemgas verwendet.
- Da Helium nur ein Siebtel der Dichte von Luft hat, dient es auch als Traggas für Ballons oder Luftschiffe. Durch sein inertes Verhalten und seine Unbrennbarkeit hat es das Traggas Wasserstoff weitgehend verdrängt.
- In der Schweißtechnik wird Helium in Reinform oder als Zumischung als Inertgas eingesetzt, um die Schweißstelle vor Sauerstoff zu schützen. Zudem lässt sich bei Einsatz von Helium die Einbrenntiefe und die Schweißgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, was insbesondere bei Roboterschweißungen und bei der Verarbeitung von Aluminium und rostfreien Stählen zum Einsatz kommt.
- Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope 4He und 3He) als Kühlmittel zum Erreichen tiefer Temperaturen (etwa 1 bis 4 Kelvin) eingesetzt (siehe dazu: Kryostat). Mit 4He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1 K erreichen. Das Isotop 3He erlaubt den Einsatz als Kühlmittel bis etwa 1 mK. Gerade beim Einsatz von supraleitenden Magneten dient Helium als Kühlmittel, damit die Supraleiter vom Typ I unter der Sprungtemperatur bleiben. Praktische Anwendungen sind hier die Kernspintomographie (MRT), die Magnetoenzephalographie (MEG) in der Medizintechnik sowie die Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in der Forschung. Ebenso kann komprimiertes Heliumgas als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Als Beispiel sei der Thorium-Hochtemperaturreaktor (kurz THTR) genannt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist hier die Herstellung von optischen Glasfasern in heliumgekühlten Falltürmen. Zu beachten ist, dass Helium zwar eine hohe spezifische aber eine niedrige molare Wärmekapazität besitzt. Dies ist insbesondere bei geschlossenen Apparaturen problematisch, da es im Falle eines Temperaturanstiegs (zum Beispiel bei Stromausfall) schnell zu einer massiven Druckerhöhung kommt.
- Bei Vakuumanlagen wird Helium als Lecksuchgas eingesetzt, indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und ein Massenspektrometer hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur mit Helium angeblasen, kann mit Hilfe des Massenspektrometers ein eventueller Heliumeintritt in die Apparatur detektiert und somit die Leckrate gemessen werden. Diese Eigenschaft wird unter anderem auch bei der Lecksuche in Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern für Klimaanlagen oder Benzintanks für Autos benutzt.
- Helium wird in der Raketentechnik eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei Druckgas geförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke.
- Helium wird in zwei Lasertypen eingesetzt: Dem Helium-Neon-Laser und dem Helium-Cadmium-Laser.
- Reinsthelium dient zudem als Trägergas in der Gaschromatographie (Analytik).

Gesundheitsgefahren

Es wird davon abgeraten, Helium einzuatmen oder in geschlossene Räume ausströmen zu lassen, da Helium den Sauerstoff verdrängt und somit für Sauerstoffmangel sorgt. Dies kann zu dauerhaften Gesundheitsschäden bis hin zum Tod führen. Symptome können Orientierungsschwierigkeiten und Bewusstseinsverlust sein, das Opfer bemerkt die Erstickung kaum bis gar nicht. Beim Verwenden von Helium-Flüssiggas ist die Verwendung von Schutzkleidung notwendig, um Erfrierungen zu vermeiden. Heliumbehälter stehen unter hohem Druck und dürfen daher nicht erwärmt oder mit Feuer in Verbindung gebracht werden.

Kurioses

Nach dem Einatmen von Helium ändert sich die eigene Stimme dramatisch (zu einem „Mickymaus“-Piepsen). Die Klangfarbe einer Stimme hängt ab von der Lage der Resonanzfrequenzen im Mundraum, den sogenannten Formanten. Die Lage dieser Resonanzfrequenzen wiederum ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit (cLuft = 350 m/s, cHelium = 1030 m/s). Die Lage der ersten 3 Formanten ist dann in Luft: 220, 2270 und 3270 Hz; und in Helium: 320, 3900, 5500 Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild, die Höhe des Tones selbst bleibt durch das Edelgas unverändert. Siehe auch: Chemikalienliste, WikiProjekt Elemente

Literatur


- Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
- John Emsley: The elements. 3rd Ed., Clarendon Press, 1998, ISBN 0198558198
- A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9
- F. A. Cotton, G. Wilkinson, C. A. Murillo, M. Bochmann: Advanced Inorganic Chemistry, 6th Ed., Wiley, 1999, Kapitel 18D, Seite 974, ISBN 0-471-19957-5
- C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry. 2nd Ed., Pewson/Prentice Hall, 2005, Kapitel 22.8a, Seite 666 ISBN 0130-39913-2
- Ekkehard Fluck, Klaus G. Heumann: Periodensystem der Elemente, Tafel. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8
- R. B. King (Hrsg.): Encyclopedia of Inorganic Chemistry. Bd. 8, Wiley, 1994, Seite 4094, ISBN 0-471-93620-0

Weblinks


- [http://periodic.lanl.gov/elements/2.html Los Alamos National Laboratory - Helium] (englisch)
- [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/heliumcs05.pdf Jahresbericht des Bureau of Land Management] (PDF, englisch)
- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/He/key.html WebElements.com - Helium] (englisch)
- [http://www.unifr.ch/physics/frap/ Fribourg group for Atomic Physics] (englisch) Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Edelgas Kategorie:Periode-1-Element ja:ヘリウム ko:헬륨 ms:Helium simple:Helium th:ฮีเลียม

Luft

Luft bezeichnet das Gasgemisch der Erdatmosphäre und besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %). In vergleichsweise hohen Konzentrationen kommen ferner Argon (0,9 %) und Kohlenstoffdioxid (0,03 %) vor. Im natürlichen Zustand ist die Luft geruchs- und geschmacklos. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff ist für alle aeroben Landlebewesen überlebensnotwendig. Alle Tiere benötigen ihn zur Atmung. Pflanzen benötigen das in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid zur Photosynthese. Für fast alle Pflanzen ist dies die einzige Kohlenstoffquelle.

Zusammensetzung

Die aktuelle Zusammensetzung der Luft in der Höhe von Normalnull ist in der rechten Tabelle wiedergegeben, wobei man zwischen Hauptbestandteilen und Spurengasen differenziert.

Stickstoff

Als ein chemisch inertes Gas ist der in molekularer Form auftretende Stickstoff äußerst reaktionsträge. Im Stickstoffkreislauf kann er nur durch die Prozesse der Stickstofffixierung in für Lebewesen nutzbare Verbindungen überführt werden, die ihn für den Aufbau ihrer Aminosäuren benötigen. Den gegenteiligen Prozess bezeichnet man als Denitrifikation. Technisch wird der Luftstickstoff über das Haber-Bosch-Verfahren zur Düngemittelherstellung verwendet. Diese Prozesse gleichen sich weitestgehend aus und haben rein mengenmäßig nur einen geringen Effekt auf die Konzentration des Stickstoffs in der Atmosphäre.

Sauerstoff

Sauerstoff stellt das wichtigste Oxidationsmittel dar und verleiht der heutigen Atmosphäre daher auch ihrer oxidierenden Charakter. Der Sauerstofff wird unter anderem für alle chemischen Verbrennungsvorgänge und die biologische Atmung benötigt. Gebildet wird er wiederum über die Photosynthese, wobei die hierüber im Laufe der Erdgeschichte hergestellte Menge etwa das zwanzigfache der heute in der Atmosphäre vorliegenden Menge beträgt.

Argon

Argon ist ein vergleichsweise gut wasserlösliches Edelgas, als solches jedoch reaktionsträge und ohne weitere Bedeutung.

Wasserdampf

Umgebungsluft ist nicht komplett trocken, deshalb enthält diese zusätzlich je nach Luftfeuchtigkeit null bis zu etwa vier Volumenprozent Wasserdampf, der Rest der Luft teilt sich dann nach den nach den in der Tabelle angegebenen Werten auf. Die üblichen Werte des Wasserdampfgehalts schwanken zwischen einem Zehntel Volumenprozent an den Polen und drei Volumenprozent in den Tropen, mit einem Mittelwert von 1,3 % in Bodennähe. Sie werden durch unterschiedliche Feuchtemaße angegeben.

Variabilität in der Zeit

Die Konzentrationen der Atmosphärengase sind ihrem Charakter nach metastabil, denn auch wenn sie sich in der Lebenszeit eines Menschen nur geringfügig ändern, so sollten sie deswegen nicht mit Naturkonstanten verwechselt werden. Dies zeigt sich in der seit Jahrmilliarden andauernden Entwicklung der Erdatmosphäre, die auch heute noch nicht abgeschlossen ist und in deren Zuge sich die Zusammensetzung der Erdatmosphäre mehrmals grundlegend gewandelt hat. Erst seit etwa 350 Millionen Jahren kann man dabei von unserer heutigen Atmosphäre sprechen. Die größten aktuellen Veränderungen der Luftzusammensetzung stellt die Zunahme des Kohlendioxidgehaltes um etwa 40 % seit Beginn der Industrialisierung dar. Dies ist im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt eine der Ursache für die globale Erwärmung. Formal gehört Kohlendioxid dabei zu den Spurengasen, es wird als das fünfthäufigste Atmosphärengas und aufgrund seiner Bedeutung für Klima und Lebewesen jedoch häufig zu den Hauptbestandteilen der Luft gerechnet. Größere Schwankungen über teils wenige Jahre und Jahrzehnte sind auch bei den Spurengasen zu verzeichnen, denn gerade anthropogene Emissionen können deren geringe Konzentrationen schon bei vergleichsweise unmaßgeblichen Ausstoßmengen beeinflussen. Ebenso zeigen Vulkanausbrüche häufig einen kurzfristigen Einfluss.

Variabilität im Raum

globale Erwärmung in Abhängkeit von der Höhe.]] Die angegebenen Konzentrationen stellen globale Mittelwerte dar und beziehen sich auf Normalnull, besitzen aber eine weitesgehende Gültigkeit in der gesamten Homosphäre, also bis in eine Höhe von etwa 100 Kilometern. Da in verschiedenen Höhenlagen spezifische Prozesse der Atmosphärenchemie wirken, gibt es jedoch auch teilweise erhebliche Abweichungen. Ab der Homopause stellt die Abnahme der Konzentration schwerer Gase mit der Höhe und damit die relative Anreicherung leichterer Gase einen generellen Trend dar. In der hohen Atmosphäre sind daher Wasserstoff und Helium anteilsmäßig sehr viel bedeutender als in Bodennähe, jedoch ist die Luftdichte und damit das absolute Vorkommen der Gase entsprechend gering.

Substanzen geringerer Konzentration

Zusätzlich sind auch hier nicht aufgelistete Anteile von Wasserdampf, Methan, Distickstoffoxid (sinkend ab 7 km), Kohlenmonoxid und Ozon vorhanden. Außerdem treten folgende Stoffe in geringen Spuren auf:
- Fluoroform
- Peroxiacetylnitrat
- Chloroxide
- andere Stickoxide (neben N2O)
- Schwefeldioxid
- Radon
- Quecksilber

Kohlenstoffdioxid

Die biologische Hauptbedeutung des Kohlenstoffdioxids liegt in seiner Rolle als Kohlenstofflieferant für die Photosynthese, weshalb sich die atmosphärische Kohlenstoffdioxidkonzentration stark auf das Pflanzenwachstum auswirkt. Durch den lichtabhängigen Stoffwechselzyklus der Pflanzen, also der Wechselbeziehung zwischen Atmung und Photosynthese, können die bodennahen CO2-Konzentration im Tagesgang schwanken. Es zeigt sich bei ausreichender Pflanzendecke ein nächtliches Maximum und dementsprechend ein Minimum am Tag. Der gleiche Effekt kommt auch im Jahresverlauf zum tragen, da die außertropische Vegetation ausgeprägte Vegetationsperioden besitzt. Dies hat auf der Nordhalbkugel ein Maximum im Zeitraum März bis April und ein Minimum im Oktober oder November zur Folge. Auch anthropogene Emissionszyklen können eine Rolle spielen, zum Beispiel mit dem Einsetzen der Heizperiode bei sinkenden Temperaturen. Als übergeordneter Trend wird eine stetige Zunahme des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre gemessen, wobei die Konzentration Mitte des 18. Jahrhunderts bei etwa 280 ppmv lag. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 40 %, wobei die Steigerungsraten selbst immer weiter zunahmen und auch heute noch zunehmen. Sie liegen bei etwa 1,6 ppmv/a. Die Quellen hierfür sind vielschichtig, haben den Kohlenstoffzyklus jedoch nachhaltig destabilisiert und tragen über den anthropogenen Treibhauseffekt zur globalen Erwärmung bei. Lokal und gerade nahe industriellen Ballungsgebieten kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration auch deutlich über den Normalwerten liegen. Werte von 400 ppmv sind dabei recht häufig. Den Rekord hat der ehemalige Londoner Wintersmog mit 3.000 ppmv (0,3 %) aufgestellt.

Ozon

Ozonwerte werden nicht in Anteilen, sondern in der Dobson-Einheit angegeben. Da die Werte zudem von der Höhe (Ozonschicht, Bodennahes Ozon), sowie von Wetterlage, Temperatur, Schadstoffbelastung und Uhrzeit abhängen, und Ozon sich sowohl schnell bildet als auch wieder zerfällt, ist es in obiger Tabelle nicht aufgelistet.

Physikalische Größen der Luft

Luftdichte

Unter Normalbedingungen ist die Luftdichte gleich 1,293 kg/m3.

Luftdruck

Die Gewichtskraft der von der Erdanziehung beschleunigten Luftsäule erzeugt einen statischen Luftdruck, der mit dem jeweiligen Messpunkt variiert. Dieser ist jedoch zusätzlich von thermischen (Temperatur) und dynamischen Einflüssen (Wetterbedingungen) abhängig.

Lufttemperatur

Als Lufttemperatur wird jene Temperatur der bodennahen Atmosphäre bezeichnet, die weder von Sonnenstrahlung noch von Bodenwärme oder Wärmeleitung beeinflusst ist. Die genaue Definition durch Wissenschafter und Techniker ist je nach Fachgebiet etwas verschieden. In der Meteorologie wird die Lufttemperatur in einer Höhe von zwei Metern gemessen, wofür die klassischen, weiß gestrichenen Wetterhäuschen in freier Umgebung dienen.

Luftfeuchtigkeit

Bei der Luftfeuchtigkeit handelt es sich um den Anteil des Wasserdampfs an der Luft. Sie wird über verschiedene Feuchtemaße wie Dampfdruck und Taupunkt sowie relative, absolute und spezifische Luftfeuchte quantifiziert.

Andere

Unter Normalbedingungen ist die Schallgeschwindigkeit gleich 331,5 m/s. In Näherung zur trockenen Luft, mit den molaren Massen aus den jeweiligen Artikeln der einzelnen Elemente und den entsprechenden Naturkonstanten, besitzt Luft eine molare Masse von 28,9634 g/mol. Der Brechzahl der Luft beträgt unter Normalbedingungen für sichtbares Licht ungefähr 1,00029. Sie hängt von Druck, Temperatur und Zusammensetzung der Luft ab, vor allem aber von der Luftfeuchtigkeit. Entsprechend der Brechzahl ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Luft. Spezifische Wärmekapazität: :c_p = 1,005 kJ/(kg K) = 0,279 kWh/(Tonne K) (isobar) :c_v = 0,718 kJ/(kg K) = 0,199 kWh/(Tonne K) (isochor)

Luftverschmutzung und Luftreinhaltung

Die Luftverschmutzung ist der auf die Luft bezogene Teilaspekt der Umweltverschmutzung. Gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ist Luftverschmutzung eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Aerosole, Dämpfe oder Geruchsstoffe. Von besonderer Schädlichtkeit sind dabei erhöhte Ozonwerte (Smog) und Schwefeldioxidkonzentrationen (saurer Regen). In den meisten Industrieländern ist die lokale Luftverschmutzung in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen. Gleichzeitig hat jedoch der Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid weiter zugenommen. Die lokale und regionale Luftverschmutzung ist aber insbesondere für Länder der dritten Welt sowie Schwellenländer wie zum Beispiel Russland oder China noch ein erhebliches Problem.

Kulturelle Bedeutung

Die griechischen Naturphilosophen hielten Luft für eines der vier Grundelemente, aus denen alles Sein besteht. Dem Element Luft wurde der Oktaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Siehe auch


- Luftverflüssigung

Weblinks


- [http://www.cmdl.noaa.gov/hats/graphs/graphs.html Entwicklung der Spurengasanteile der Luft im Laufe der letzten 15 Jahre] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Stoffgemisch Kategorie:Gas ja:空気 ko:대기 ms:Udara simple:Air

Schiff

]

Funktion

Ein Schiff ist jedes größere Wasserfahrzeug (Abgrenzung zum Boot bei Boot), das nach dem Archimedischen Prinzip schwimmt. Schiffe werden auf Werften gebaut (siehe Schiffbau). Nach Fertigstellung des Rumpfes wird das Schiff mit dem Stapellauf zu Wasser gelassen, erst dann erfolgt die endgültige Ausrüstung. Die erste Fahrt eines Schiffes wird als Jungfernfahrt bezeichnet. Die Reparatur von Schiffen erfolgt insbesondere in Trockendocks und Schwimmdocks. Schiffe sind das wichtigste Transportmittel sowohl für Massengut als auch für Stückgut. Letzteres wird heute vor allen in Containern auf Containerschiffen transportiert. Die größten Schiffe sind Öl-Tankschiffe, die bis über 560.000 tdw (Schiffsladekapazität in englischen "tons"; 1 ton = 1,016 t) DW (engl. deadweight = Tragfähigkeit) oder ca. 100.000 Bruttoregistertonnen messen können. Die Passagierschifffahrt steht seit den 60er Jahren zunehmend der Konkurrenz des Flugverkehrs gegenüber und verlagert sich vom reinen Transportmittel mehr zum Bereich der Erlebnisreisen. Bei entsprechender Bauweise können Schiffe eine hohe Lebensdauer erreichen. Eines der höchsten bekannten Lebensalter erreichte das englische Schiff "Besty Canes". Es existierte bereits 1688 als König Wilhelms III. Yacht und erlitt 1827 Schiffbruch. Sie wurde nachweislich 139 Jahre alt. 113 Jahre erreichte die englische "Royal William", die am 16. März 1700 auslief und 1813 demontiert wurde. Im November 2004 wird die "Cutty Sark" 135 Jahre alt. Sie ist der einzige verbliebene Klipper und befindet sich im Trockendock zu Greenwich, London, England. 28 Jahre älter ist die "Charles W. Morgan" von 1841. Sie ist das einzig erhaltene Walfangsegelschiff, benannt nach Charles Waln Morgan, ihrem Haupteigner. Ursprünglich als Vollschiff in New Bedford, MA (Massachusetts), aus Holz erbaut, wurde sie 1867 zur Bark umgeriggt und stand 80 Jahre in Dienst. Heute ist sie als Museumsschiff in Mystic, CT (Connecticut{| |Geschwindigkeit |Schiff |- |6,7 Knoten |Raddampfer Sirius, 1838, Großbritannien |- |kurzzeitig 11 Knoten |Rennruderboot (Achter; siehe Rudern) |- |ca. 15 Knoten |Flying-P-Liner Potosi, 1902, Deutschland |- |ca. 18 Knoten |Klipper um 1870 |- |18,5 Knoten |Flying-P-Liner Preussen, 1904, Deutschland |- |über 20 Knoten |Wettkampf-Segelyacht |- |ca. 27 Knoten |Containerschiff, 2004 |- |ca. 25-28 Knoten (unter Wasser) |U-Boot |- |ca. 28-32 Knoten (unter Wasser) |AtomU-Boot |- |34,5 Knoten |Passagierschiff United States, 1952, USA |- |41,28 Knoten |Doppelrumpf-Fähre Cat Link V, 1998, Dänemark |- |ca. 48 Knoten |Tragflächenboot |- |{{

Wasser

Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf. Dampf

Etymologie und alternative Bezeichnungen

Das Wort Wasser leitet sich vom althochdeutschen wazzar „das Feuchte, Fließende“ ab. Andere chemische Bezeichnungen für Wasser sind:
- Wasserstoffoxid (auf deutsch die korrekte, weil einfachste Bezeichnung)
- Diwasserstoffmonoxid, Wasserstoffhydroxid, Dihydrogeniumoxid, Hydrogeniumoxid, Hydrogeniumhydroxid oder Dihydrogenmonoxid

Vorkommen

Erde

Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt, wobei dies besonders auf der Südhalbkugel der Fall ist und sich als Extrem an der Wasserhalbkugel zeigt. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Trinkwasser, sowie einer ausreichenden Menge Nutzwasser, stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1 386 Millionen km3, wovon allein 1 338 Millionen km3 (96,5 %) auf das Salzwasser der Weltmeere entfallen. Nur 48 Millionen km3 (3,5 %) des irdischen Wassers liegen als Süßwasser vor. Das mit 24,4 Millionen km3 (1,77 %) meiste Süßwasser ist dabei als Eis an den Polen, Gletschern und Dauerfrostböden gebunden und somit nicht der Nutzung zugänglich. Einen weiteren wichtigen Anteil macht das Grundwasser mit 23,4 Millionen km3 aus. Das Wasser der Fließgewässer und Binnenseen (190 000 km3), der Atmosphäre (13 000 km3), des Bodens (16 500 km3) und der Lebewesen (1 100 km3) ist im Vergleich rein mengenmäßig recht unbedeutend. Dabei ist jedoch nur ein geringer Teil des Süßwassers auch als Trinkwasser verfügbar. Insgesamt liegen 98,233 % des Wassers in flüssiger, 1,766 % in fester und 0,001 % in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen weist das Wasser dabei spezifische Verweilzeiten auf und zirkuliert fortwährend im globalen Wasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar und wandelten sich auch stark im Laufe der Klimageschichte, wobei im Zuge der globalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen wird.

Sonnensystem

Auch außerhalb der Erde kommt zwar Wasser vor, aber nur in sehr geringen Mengen und dann als Eis oder Wasserdampf. Als Eis wurde Wasser in Kometen („schmutzige Schneebälle“), auf dem Mars und auf einigen Monden der äußeren Planeten nachgewiesen. Viele Hinweise deuten darauf hin, dass der Mars in der Frühzeit seiner Entwicklung offene Wasserflächen enthielt. Zu den Monden zählen die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto, der Neptunmond Triton, sowie Charon, der einzige bekannte Mond Plutos. Hinweise auf das Vorhandensein von Eis in Meteoritenkratern in Polnähe gibt es sogar bei Merkur, dem sonnennächsten Planeten. Es ist möglich, dass auf dem Erdenmond in den Polregionen am Grund tiefer Krater Eisvorkommen als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen, sind jedoch bis auf weiteres spekulativ.

Herkunft

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopenverhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übere