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Bauphysik

Bauphysik

Die Bauphysik ist eine Anwendung der Physik auf Bauwerke und beschäftigt sich mit den physikalischen Phänomenen bei diesen. Im Hauptsächlichen sind dies
- Wärme: Wärmeleitung / Wärmestrahlung / Wärmedämmung / Wärmeschutz
- Feuchtigkeit: Wasserdampfgehalt / Feuchtetransport / Kondensation von Wasser / Schimmel in Wohnungen
- Akustik: Sowohl Bauakustik, d. h. Schallübertragung / Schalldämmung innerhalb von Gebäuden als auch Raumakustik und Schallimmissionsschutz, d. h. Schallübertragungen im Freien und Schutz gegenüber Verkehrs-, Gewerbe- und Freizeitlärm
- Brandschutz
- Tageslicht Der Materialbeschaffenheit von Baustoffen, wie z. B. Beton, Bitumen, Steinen, Stahl, Glas wird in den Disziplinen Baustoffkunde und Bauchemie behandelt. Mechanische Phänomene wie die Kräftezerlegung werden in den Disziplinen Tragwerkslehre / Statik untersucht. In den letzten Jahren haben in den Medien und im Internet zum Teil heftige Kontroversen zur Bauphysik stattgefunden. Ein Beispiel ist die so genannte Ziegelphysik. Der Ausdruck wurde durch den Chemiker Dr. rer. nat. Rolf Güldenpfennig in seinem Artikel Ziegelphysik - Eine neue Bauphysik? (Fachzeitschrift Das Stuckgewerbe, 1983) geprägt, um Theorien zu widerlegen, nach denen ältere, nicht wärmegedämmte Gebäude mit großem Wärmedurchgangskoeffizient einen geringeren Heizenergieverbrauch hätten als neuere, wärmegedämmte Gebäude. Der Einsatz von Außendämmung trägt stark zur Einsparung von Heizenergie bei. In Deutschland hat die Energieeinsparverordnung und die vorausgehende Wärmeschutzverordnung dazu geführt, dass Neubauten mit Ziegelaußenwänden heute praktisch ausschließlich mit Wärmedämmung realisiert werden. Ziegelphysik charakterisiert einen "Standpunkt", der, auch wenn er häufig von Baufachleuten stammt, den Aussagen und experimentellen Befunden der Bauphysik widerspricht und auf fehlende oder falsche Kenntnisse der Physik zurückzuführen ist.

Siehe auch

- atmende Wand
- Bau, Baukonstruktion
- Portal:Architektur und Bauwesen

Literatur

- Fachzeitschrift [http://www.architektur-bauphysik.de architektur + Bauphysik]

Weblinks

- [http://www.lernnetz-bauphysik.de/ Lernnetz Bauphysik], gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
- [http://www.bauphysik.com www.bauphysik.com] - Bauphysik-Webportal mit Foren
- [http://www.tagderbauphysik.uni-stuttgart.de Tag der Bauphysik], veranstaltet der Uni Stuttgart und vom [http://www.ibp.fhg.de Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP)]
- [http://www.fht-stuttgart.de/ Homepage des Fachbereichs Bauphysik der Hochschule für Technik in Stuttgart], die einen Studiengang "Bauphysik" mit Abschluss als "Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik" anbietet
- [http://www.wiley-vch.de/ernstsohn/zeitschriften/bauphysik/bauphysik_info.html/ Homepage der Zeitschrift "Bauphysik ], der wichtigsten Fachzeitschrift zum Thema Bauphysik
- [http://www.ziegelphysik.de/ physikalische Argumente gegen die "Ziegelphysiker"] !

Physik

Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht. Sie befasst sich sowohl mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit als auch mit der Struktur von Raum und Zeit selbst. Die Physik beschreibt die Natur quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, sogenannter Theorien, und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über das Verhalten der betrachteten Systeme. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Im Zusammenhang mit der Physik wurde auch erstmals die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung aufgeworfen, ein Thema, das auch in der Literatur, etwa in dem Theaterstück Die Physiker von Friedrich Dürrenmatt, aufgegriffen worden ist.

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannte Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt es sich nicht um universell gültige Ordnungsstrukturen, sondern räumliche und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt, die durch die Anwesenheit von Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. In der Relativitätstheorie wird auch erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung der Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen Physik, auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert, das heißt sie nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an und ändern sich in Form von Quantensprüngen. Materie erweist sich als Phänomen, das nur in Portionen, den sogenannten Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen, über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann, das Teilchen bei einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei solcher Messungen ist nicht nur unbekannt, sondern sogar nicht definiert. Die meisten Physiker folgern daraus, dass letztlich die Vorstellung von der Existenz einer vom Beobachter unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle. Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens (Deutungen der Quantenphysik). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt.

Die vier Grundkräfte

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:
- Die Gravitation oder Schwerkraft,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen- und starken Wechselwirkung wurde die Theorie der Supersymmetrie erdacht, deren Gültigkeit allerdings umstritten ist. Die größten Schwierigkeiten treten im Bereich der Gravitationskraft auf, da über sie - auch wenn schon lange bekannt - doch nur wenig gesichertes Wissen vorliegt. Maßgebliches Problem hierbei ist ihr kaum messbarer Einfluss auf alle Systeme, im Labormaßstab. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik, das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Das Ziel der heutigen Physik ist es, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben und auf die Wechselwirkung weniger Elementarteilchen zurückzuführen. Inwieweit dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist völlig offen. Immerhin ist der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene der Physik lassen sich zwei grundsätzlich verschiedenen Gruppen zuordnen:
- Phänomene, deren zugrundeliegende Gesetze noch unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche, zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind, wie beispielsweise der Urknall. Der Grund hierfür ist, dass es bisher nicht gelungen ist, eine in sich geschlossene Quantenfeldtheorie zu formulieren, welche die Quantenphysik und die Relativitätstheorie vollständig vereinigt.
- Phänomene, die zwar bekannten Gesetzen gehorchen, deren Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man berechenbare Näherungsmodelle zu entwickeln, deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell ermitteln lassen. Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in diesem Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins. Insbesondere die Frage, zu welcher der beiden Problemgruppen es zu zählen ist, wird kontrovers diskutiert. Die Physik ist prinzipiell nicht in der Lage, Aussagen über das Wesen der Dinge an sich zu treffen. Sie beschränkt sich darauf, die Gesetzmäßigkeiten zu ergründen, denen die Dinge unterworfen sind. Warum die Natur überhaupt gewissen Gesetzen gehorcht, ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort gibt lediglich das anthropische Prinzip, indem es feststellt, dass es in einem Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde, der sich über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche der Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach übergeordnetem, theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch sortiert. Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und Relativitätstheorie erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema unter der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche Bezüge zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für die Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Die Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch Querschnittstheorien (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten, aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen.

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik, der bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt war.
- Die klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken (Wechselwirkungskräfte).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und dessen Beeinflussung durch Materie.
- Die Wellenlehre als theoretische Disziplin bildet die mathematische Grundlage für Beschreibungen von Schwingungsvorgängen in Akustik, Optik und Atomphysik (QST/QT).
- Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl bereits früher bekannt, erhielt sie erst durch die Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht jedoch weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden, das heißt nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die nichtlineare Dynamik und die Physik der komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie, Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

... befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Die Einheit von newtonscher Physik, Elektrodynamik und Relativitätstheorie wird als Klassische Physik bezeichnet.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei werden primär konstante Geschwindigkeiten betrachtet (QST).
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.

Die Quantenphysik

... ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind insbesondere Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, den Aufbau und die Eigenschaften der Atome und ihre Spektren zu erklären. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann (RT).
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen (RT).
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
- Die Festkörperphysik und Halbleiterphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
- Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind (im Unterschied zum idealen Gas) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
- Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefinierte gegenseitige Orientierung.
- Die Physik der weichen Materie beschreibt die Eigenschaften von Polymeren, Kolloiden und Membranen.
- Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.

Die relativistische Quantenphysik

... befasst sich mit Phänomenen, zu deren Beschreibung die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich sind.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt:
- die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie
- die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen
- die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen
- Quantengravitation ist ein Überbegriff für Ansätze, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen (QST):
- die Stringtheorie beschreibt Elementarteilchen als Strings und geht von verborgenen Dimensionen der Raumzeit aus
- die Loop-Quantengravitation beschreibt die Raum-Zeit als Spin-Netzwerk bzw. Spin-Schaum
- die Quantengeometrie
- die Supersymmetrie

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Physikalische Chemiker wenden die Methodik der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie an.
- Die Technische Physik ist jenes Teilgebiet der Physik, das sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens befasst.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
- In der Theorie der Quantencomputer tritt die Physik in interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Informatik. Hier werden unter anderem Algorithmen mit geringerer Komplexität als bei klassischen Computern möglich.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. Diese werden benötigt, um die Energiedichten der Elementarteilchenphysik zu erreichen, aber auch als Strahlenquelle für Untersuchungen in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung von Kernreaktionen in Kernreaktoren.
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima.
- Soziophysik und Wirtschaftsphysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.

Methodik der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden.

Experimentalphysik

Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf die Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Dabei versucht die Experimentalphysik, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines Teilchenbeschleunigers, einer Vakuumkammer mit Detektoren oder eines geworfenen Steins durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Länge einer Teilchenspur, Impulshöhe eines elektrischen Spannungspulses oder als Aufprallgeschwindigkeit. Konkreterweise werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder man untersucht die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems, etwa in dem man Anfangswerte und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt oder alternativ kontinuierliche Zwischenwerte feststellt.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der Theoretischen Physik wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert. Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modelles ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Phänomene der Welt, die sich nicht mathematisch beschreiben lassen, wie beispielsweise das menschliche Bewusstsein, werden gemeinhin nicht als Gegenstand der Physik angesehen. Das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie ist, wie in vielen Naturwissenschaften auch, die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lässt sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings lässt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist. Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können. Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.

Simulation/Computerphysik

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Rechensysteme hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts und beschleunigt seit etwa 1990 die Computersimulation als neue Methodik innerhalb der Physik entwickelt. Computerphysiker sind keine reinen Theoretiker, da sie durch ihre Simulationen Theorien zu testen versuchen, aber auch keine reinen Experimentatoren, da ihre Experimente ausschließlich in der Welt des Rechners stattfinden. Die Bandbreite möglicher Simulationen deckt die komplette Spanne von der mathematischen Physik über Simulationen kosmologischer Modelle bis hin zur angewandten Physik ab. Naturgemäß hat dieser Bereich der Physik zahlreiche Anknüpfungspunkte an die Informatik.

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Zur Abgrenzung gegenüber der Biologie wird die Physik oftmals als die Wissenschaft von der unbelebten Natur bezeichnet. Eine Abgrenzung gegenüber der Chemie ist nicht so eindeutig; der Übergang von der Physik der Elektronenhülle, also der Atom- und Molekülphysik, zur Quantenchemie ist fließend. Die Mathematik beschreibt im Gegensatz zur Physik keine realen Objekte, sondern abstrakte Begriffe und deren Eigenschaften.

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Die Physik gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie, die Geologie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften, besonders im technischen Bereich, wie in den Ingenieurwissenschaften, aber auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften. Umgekehrt haben auch oft Erkenntnisse aus anderen Fachgebieten wie der Mathematik oder der Astronomie die physikalische Forschung bereichert und stimuliert. Auch in der Philosophie finden die Erkenntnisse der Physik Beachtung: So versucht der philosophische Zweig der Metaphysik Erklärungen für das Wesen der Natur zu finden, während sich die Physik auf ihre Beschreibung beschränkt.

Physik als Studium

Das Physikstudium gliedert sich im deutschsprachigen Sprachraum in ein zweijähriges Grundstudium, an dass sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst Physikalischen Praktika und Theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik. In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, Spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an. Die Theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meist in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt: # Mechanik (Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik, Spezielle Relativitätstheorie, Hamilton'sche Mechanik) # Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwell'sche Elektrodynamik, Elektromagnetische Wellen, Spezielle Relativitätstheorie) # Quantenmechanik (Schrödinger'sche Wellenmechanik, Heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der Theoretischen Atomphysik, Einführung in die Relativistische Quantenmechanik) # Thermodynamik und Statistische Physik (Wärmelehre, Statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie) Die Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.

Geschichte

Die neuzeitliche Geschichte der Physik wurzelt in antiken Vorarbeiten vor allem griechischer Gelehrter (insbesondere von Aristoteles) und beginnt etwa ab dem Jahr 1500. Seit dieser Zeit kann man von der Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen, obwohl es schon vorher physikalische Entdeckungen und Lehren gab, zum Beispiel über das Feuer, das Rad, das von Archimedes formulierte Hebelgesetz und seine Anwendung in einfachen Maschinen, erste Erkenntnisse in der Optik, der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper (Demokritsches Teilchenmodell).
- 1543 Veröffentlichung des heliozentrischen Weltbildes in „De Revolutionibus Orbium Coelestium“ („Von den Umdrehungen der Himmelskörper“) durch Nikolaus Kopernikus
- 1589 Fallgesetze (Galileo Galilei)
- 1609 Planetengesetze (Johannes Kepler)
- 1638 und 1650 Luftdruck und Vakuum entdeckt und angewendet (Evangelista Torricelli, Otto von Guericke)
- 1687 Grundgesetz der Mechanik (newtonsche Gesetze durch Isaac Newton)
- 1786 Elektrisches Grundgesetz (coulombsches Gesetz: zur Bestimmung der Kraft zwischen Ladungen)
- 1865 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwellgleichungen durch James Clerk Maxwell)
- 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) durch Wilhelm Conrad Röntgen
- 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität einiger chemischer Elemente durch Marie und Pierre Curie
- 1900 Begründung der Quantenphysik durch Max Planck
- 1905 Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1916 Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1938 Atomkernspaltung künstlich herbeigeführt durch Otto Hahn
- 1947 Entwicklung des Transistors durch William B. Shockley
- 1960 Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman
- 1970 Erste kontrollierte Kernfusion im Fusionsreaktor Tokamak 3
- 1995 Erfolgreiche Bose-Einstein-Kondensation von Atomen Siehe auch: Portal:Physik, Physiker, Computerphysik, Einheitensystem, Naturkonstante, Physik für die Schule, Physikalisches System, Auf den Schultern von Giganten, Liste der Kurzschreibweisen (Physik), Liste physikalischer Sätze

Literatur

- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag 2. Auflage 2004 ISBN 3-827-41164-5
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3-486-25857-5
- Gerthsen; Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag 22. Auflage 2004 ISBN 3-540-02622-3
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Auflage Springer 2004 ISBN 3-540-26034-X
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt:Lehrbuch der Experimentalphysik.de Gruyter 10. Auflage 1998 ISBN 3-110-12870-5

Weblinks

- Physik allgemein
- [http://www.dpg-physik.de/ Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.]
- [http://www.ptb.de/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- Physik-Portale
- [http://www.weltderphysik.de/ Welt der Physik]
- [http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/ Findemaschine pro-physik.de]
- [http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker]
- [http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik]
- [http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/cover.html Physik einfach erklärt] ! als:Physik ja:物理学 ko:물리학 ms:Fizik simple:Physics th:ฟิสิกส์ zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k

Bauwerk

Ein Bauwerk ist eine von Menschen errichtete Konstruktion. Es ist fest mit dem Untergrund verbunden und unbeweglich (vgl. Immobilie). Es ist in der Regel für eine langfristige Nutzungsdauer konzipiert. Gebäude ist ein Unterbegriff von "Bauwerk" (siehe unten). Der heutige Sprachgebrauch nennt Gebäude aber auch Bauwerk, wenn sie einen besonderen Wert, eine herausragende ideelle Bedeutung oder starke Monumentalität besitzen. Im deutschen Baurecht fallen Bauwerke unter den Oberbegriff der Baulichen Anlagen, der in den jeweiligen Landesbauordnungen der einzelnen Bundesländer definiert ist.

Differenzierung

Man kann Bauwerke nach allen möglichen Parametern differenzieren, zum Beispiel nach der Konstruktion, nach den verwendeten Baustoffen oder nach der Funktion. Üblich ist jedoch die einfache Unterscheidung von Tiefbau und Hochbau. Daneben gibt es Objekte, bei denen nicht klar ist, ob sie Bauwerke oder natürlichen Ursprungs sind, so z.B. die Pyramideninsel Yonaguni in Japan.

Herstellung

Ein Bauwerk wird im Bauprozess hergestellt, dieser umfasst Bauplanung und die Bauausführung. Ein Bauwerk besteht aus einzelnen Bauteilen, die wiederum aus Baustoffen bestehen. Die Art der Konstruktion und die Verwendung der Baustoffe variiert je nach Standort, Technologie-Stand und Stilepoche.

Funktion

Im Gegensatz zu einem Gebäude ist ein Bauwerk nicht zwingend für den Aufenthalt oder die Lagerung von Menschen, Lebewesen oder Dingen bestimmt. Ein Bauwerk kann verschiedenen Zwecken dienen:
- Gebäude: dienen dem Aufenthalt oder der Lagerung von Menschen, Lebewesen oder Dingen. Beispiele: Hütte, Wohnhaus, Fabrikhalle, Lagerhalle, Kirche
- Verkehrsbauwerke: Brücke, Straße, Tunnel, Stollen
- Versorgungsbauwerke: Wasser- und Abwasserleitungen, Klärwerke, Deich, Staudamm, Staumauer. Unter diese Kategorie fallen auch Sendetürme, Sendemasten und Freileitungsmasten
- Temporäre Bauwerke: Fliegende Bauten, Zelte, Messepavillions, Hilfsbauten

Siehe auch

- Liste von Bauwerken nach ABC geordnet, in Hamburg
- Bauwerkstypen eine Gliederung
- Liste der höchsten Gebäude der Welt
- Portal:Architektur und Bauwesen
- Architektur, Bauingenieurwesen

Weblinks

- [http://www.archinform.net archINFORM] - Datenbank für Architektur
- [http://www.structurae.de Structurae] - Datenbank für Ingenieurbau
- Bilder berühmter Bauwerke: http://www.biw.fh-deggendorf.de/alumni/2001/wintermeier/bauwerke/
- [http://www.das-baulexikon.de/ Baulexikon] !

Physikalisch

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Die Relativitätstheorie

Die Quantenphysik

Die vier Grundkräfte

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Themenbereiche der Physik

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

Die Relativitätstheorie

Die Quantenphysik

Die relativistische Quantenphysik

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

Methodik der Physik

Experimentalphysik

Theoretische Physik

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Simulation/Computerphysik

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Physik als Studium

Geschichte

Literatur

Weblinks

Phänomen

Das Phänomen, Plural Phänomene, oder selten gelehrter das Phänomenon, Plural Phänomena ([alt]griechisch φαινόμενο[ν], fänómäno[n] - etwas, das sich zeigt oder erscheint, Partizip Präsens von phainomai "ich zeige mich, erscheine") stellt die Abstraktion des unkennbaren, unwissbaren "Dinges an sich" (Immanuel Kant), des Noumenon dar, das als solches nicht unmittelbar im Bewusstsein des Beobachters erscheint, sondern nur indirekt, als Phänomenon, bewusst werden kann. Die Menge aller Phänomene ist, mathematisch ausgedrückt, die Klasse aller Mengen, da sich die Mathematik, als Werkzeug der Logik, nur auf die Klasse aller sich im Bewusstsein des Mathematikers, als Phänomenon, erscheinenden Mengen beziehen kann. Die Unkennbarkeit der "Menge aller Noumena" ist für das Prinzip der mathematischen Logik nicht von Bedeutung, da die Mathematik sich ausschließlich auf die Klasse der Mengen bezieht, die sie zuvor selbst definiert hat. Streng genommen gibt es nichts, was sich als Erscheinung bewusst manifestiert, das nicht unter den Begriff Phänomen fällt. ---- Phänomen bezeichnet speziell: # eine Erscheinung (unabhängig davon, ob einmalig, selten oder immer wieder auftretend) # ein Phänomen mit unklarem Charakter nennt man auch ein unerklärliches Phänomen # einen Grundbegriff der philosophischen Denkrichtung Phänomenologie # einen deutschen Fahrzeughersteller aus Zittau, siehe Phänomen (Fahrzeug) ja:現象

Wärme

Wärme kann sowohl mikroskopisch durch die Kinetische Theorie, als auch makroskopisch durch die Thermodynamik beschrieben werden. Wärme in der Thermodynamik ist über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie. Wärme tritt als Vorgangs- oder Prozess-Größe nur bei dem Vorliegen eines Temperaturgradienten auf. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Wärme aber häufig mit der thermischen Energie selbst verwechselt. Wärme ist wie Arbeit an Transportvorgänge gebunden und daher eine Vorgangs- oder Prozessgröße, im Gegensatz zu einer Zustandsgröße. Dabei wird thermische Energie aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer vom System mit der höheren Temperatur in Richtung des Systems mit der geringeren Temperatur übertragen. Dies gilt solange, wie eine Temperaturdifferenz zwischen zwei thermisch gekoppelten Systemen besteht und sich diese noch nicht im thermischen Gleichgewicht befinden. Die übertragene Wärme Q ist meist mit einer Temperaturänderung

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Hierbei ist C_V die Wärmekapazität bei konstantem Volumen V. Es existieren jedoch auch Systeme, bei denen eine Wärmezufuhr zur Phasenumwandlung und nicht zur Temperaturerhöhung führt, zum Beispiel beim Verdampfen von Flüssigkeiten. Als thermodynamische Größe ist die Wärme eindeutig über den ersten Hauptsatz definiert. Die Einzelheiten der physikalischen Vorgänge, die zum Transport von thermischer Energie führen, sind damit allerdings nicht genau festgelegt. In der Theorie der Wärmeübertragung wird der Wärmestrom nach Jean Baptiste Joseph Fourier mit Hilfe eines Temperaturgradienten definiert. Bei der Wärmeabgabe bzw -aufnahme hat die Masse des Körpers einen direkt proportionalen Einfluss, so dass die Wärme mit Q = c
- m
- dT berechnet werden muss.

Siehe auch

Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitungsgleichung, Wärmedurchgangswiderstand, Kälte, Wärmebad, Wärmezähler, Abwärme, Gasenergie Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:熱 Kategorie:Thermodynamik

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, die ein Körper abhängig von seiner Temperatur emittiert. Mit zunehmender Temperatur wächst die Intensität der Wärmestrahlung stark an (siehe auch: Stefan-Boltzmann-Gesetz), und das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (siehe auch: Wiensches Verschiebungsgesetz). Einen starken Einfluss auf die abgestrahlte Intensität hat die Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Bei den meisten thermodynamischen Systemen außerhalb des thermischen Gleichgewichts gehören die Emission und Absorption von Wärmestrahlung neben Konvektion und Wärmeleitung zu den wichtigsten Mechanismen des Wärmeaustauschs. In der Physik von besonderer Bedeutung ist das Konzept des Schwarzen Körpers, eines idealisierten Emitters und Absorbers von Wärmestrahlung, der sich im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung befindet. Da das Emissionsmaximum bei Zimmertemperatur in der Regel im Infraroten liegt, wird Wärmestrahlung oft fälschlicherweise mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt, deren Wellenlängen im Bereich zwischen 800 nm und 1 mm liegen. Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann #die Strahlung teilweise durchgelassen werden (diathermaner Stoff) #die Strahlung teilweise reflektiert werden #die Strahlung teilweise absorbiert, das heißt, vom Körper aufgenommen und in Wärme umgewandelt werden. Diese drei Effekte werden mit dem Transmissions-, Reflexions-, und Absorptionskoeffizienten quantifiziert. Durch den stark nichtlinearen Einfluss der Temperatur auf die Wärmestrahlung ist bei praktischen Anwendungen in Strahlungsöfen, im Gegensatz zu Konvektionsöfen, die auf relativen Temperaturdifferenzen basieren, die absolute Temperatur von großer Bedeutung. Bei etwa 400°C halten sich die Effekte Konvektion und Strahlung die Waage, mit steigenden Temperaturen kann die Konvektion bald vernachlässigt werden. Siehe auch: Strahlungsaustausch Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Elektrodynamik

Wärmeschutz

Der Wärmeschutz im Bauwesen als Teilbereich der Bauphysik kann in die Bereiche Winterlicher Wärmeschutz und Sommerlicher Wärmeschutz aufgeteilt werden.

Winterlicher Wärmeschutz

Der Winterliche Wärmeschutz hat den Zweck, während der Heizperiode an den Innenoberflächen der Bauteile eine ausreichend hohe Oberflächentemperatur zu gewährleisten und damit Oberflächenkondensat bei in Wohnräumen üblichem Raumklima auszuschließen. Oberflächenkondensat entsteht, wenn dieTemperatur der Wandoberfläche unter der Taupunkttemperatur liegt. Die einzuhaltenden Werte, beschrieben durch den Wärmedurchlaßwiderstand R in m²K/W werden als Mindestwärmeschutz in der DIN 4108 definiert. Weiter dient der Winterliche Wärmeschutz dazu, Bauteilkonstruktionen zu definieren, die den Wärmeverlust durch Transmission so weit begrenzen, daß die in der Energieeinsparverordnung (EnEV) genannten Grenzwerte eingehalten werden können. Diese werden durch den Wärmedurchgangskoeffizienten, den sogenannten U-Wert (früher k-Wert) in W/m²K beschrieben.

Sommerlicher Wärmeschutz

Der Sommerliche Wärmeschutz dient dazu, die durch Sonneneinstrahlung verursachte Aufheizung von Räumen, die in der Regel im wesentlichen auf eine Einstrahlung durch die Fenster zurückzuführen ist, so weit zu begrenzen, daß ein behagliches Raumklima gewährleistet wird. Hierbei soll gemäß den Vorschriften der Energieeinsparverordnung nach Möglichkeit auf den Einsatz von Klimatisierung verzichtet werden. Der Sommerliche Wärmeschutz, der ebenfalls in DIN 4108 geregelt ist, wird beeinflußt durch die Abmessungen des Raumes, die Orientierung der Fenster, die Art der Verglasung und der Sonnenschutzeinrichtung, interne Wärmequellen (z. B. Personenwärme, Abwärme von PC`s oder Beleuchtung) sowie die im Raum vorhandenen Speichermassen der Bauteile.

siehe auch

Wärmedämmung Kategorie:Bauphysik

Wasserdampf

In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nassdampf), wie er auch als Nebel oder in Wolken vorkommt. Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand unsichtbar ist wie Luft. Wasserdampf ist chemisch äußerst stabil und wird nur durch sehr aggressive Reagenzien wie zum Beispiel Fluor oder glühenden Kohlenstoff angegriffen.

Entstehung und Zustände

glühenden Kohlenstoff Bei einem normalen Umgebungsdruck von 1 atm (= 101,325 kPa) siedet Wasser bei 100° Celsius. Wird dem Wasser darüber hinaus Energie (Wärme) zugeführt, verdampft es, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Aus 1 Liter (entsprechend 1 kg) Wasser entstehen 1,7 m³ Wasserdampf, wofür eine Energiezufuhr von 2250 kJ benötigt wird. In Gleichgewichtszustand entspricht der Dampfdruck immer dem äußeren Druck (ggf. Umgebungsdruck). Die zugeführte Energie erhöht die innere Energie des Dampfes und leistet gegenüber dem Umgebungsdruck eine Verschiebearbeit W. :

\ W = p \cdot  \Delta  V = ^3 =

Beide Beiträge ergeben die Verdampfungsenthalpie H, die sich in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm (h-s-Diagramm) als Differenz auf der y-Achse ablesen lässt. Das hier abgebildete T-s-Diagramm stellt die für die Verdampfung notwendige Wärme in Form der gepunkteten blauen Fläche dar. Ebenso lässt sich dabei der Zuwachs an Verdampfungsentropie

\triangle S

ermitteln:

= Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie

= Siedetemperatur in K

\triangle S = \frac

\triangle S = \frac = 6,0297 \; \mathrm

Entsprechend dem Phasendiagramm siedet Wasser bei einem Luftdruck von 0,4 bar, wie er beispielsweise auf dem Mount Everest gegeben ist, schon bei etwa 75 °C. Die aufzuwendende Verdampfungswärme ist jedoch größer, ebenso die Volumenzunahme des Dampfes. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungswärme des Wassers entsprechend den kleiner werden Flächen im T-s-Diagramm ab, bis sie im kritischen Punkt gleich Null ist.

Erscheinungsformen

kritischen Punkt Der Dampfdruck des Wassers ist temperaturabhängig, bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes spricht man von Verdunstung. In gesättigter Umgebungsluft stellt sich ein Gleichgewicht zwischen verdunstendem Wasser und kondensierendem Wasserdampf ein. Durch die ständige Luftbewegung trocknet Wäsche im Freien recht schnell, da die abgekühlte und gesättigte Umgebungsluft durch wärmere Luft verdrängt wird. Die Übergangsbedingungen zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt, welche in der rechten Abbildung dargestellt ist. Wenn man Wasser in einer kälteren Umgebung unter Zufuhr von Wärme verdampft, kondensieren Teile des gasförmigen Wassers wieder zu feinsten Tröpfchen. Der Wasserdampf besteht dann aus diesen und gasförmigem, unsichtbarem Wasser. Diese Mischung bezeichnet man als Nassdampf, den man zum Beispiel beim Wasserkochen sehr gut sehen kann. Im T-s-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221,2 bar. Oberhalb dieser Temperatur sind Wasserdampf und flüssiges Wasser in ihrer Dichte nicht mehr voneinander zu unterscheiden, weshalb man diesen Zustand „überkritisch“ nennt. Überkritisches Wasser hat chemisch gesehen besonders aggressive Eigenschaften. Es wurden daher Versuche unternommen, mit dessen Hilfe biologisch schwer abbaubare organische Schadstoffe, wie z.B. Dioxine, PCB etc., hydrolytisch zu spalten. Unterhalb des kritischen Punktes ist der Wasserdampf folglich „unterkritisch“, wobei er sich in einem Gleichgewicht mit dem flüssigen Wasser befindet. Wird er in diesem Bereich nach dem vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit über die zugehörige Verdampfungstemperatur weiter erwärmt, so entsteht „überhitzter Dampf“ oder „Heißdampf“. Diese Form des Dampfes enthält keinerlei Wassertröpfchen mehr und ist in seinem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas und nicht sichtbar. Der Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf heißt „Sattdampf“ oder in Abgrenzung zum Nassdampf gelegentlich auch „Trockendampf“. Auf diesen Zustand sind die meisten Tabellenwerte über Wasserdampf bezogen. Der Inhalt des Nassdampfes an flüssigem Wasser ist durch den Massenanteil x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen lässt:

x = \frac

Eine besondere Bedeutung kommt den beiden Grenzkurven x = 0 und x = 1 im T-s-Diagramm zu, die sich im kritischen Punkt treffen: Die Kurve x = 0 grenzt das Gebiet der Flüssigkeit vom Nassdampf ab, während die Kurve x =1 den Nassdampf vom Heißdampf trenn