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Benetzung

Benetzung

Die Benetzung als Vorgang und die Benetzbarkeit als Eigenschaft beschreiben, wie sich eine Flüssigkeit auf der Oberfläche eines Festkörpers verhält, wenn sie mit diesem in Kontakt kommt. Je nachdem, um was für eine Flüssigkeit es sich handelt, aus welchen Material die Oberfläche besteht und wie deren Beschaffenheit ist, zum Beispiel in Bezug auf die Rauigkeit, benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche mehr oder weniger stark. Ein auf einer horizontalen, ebenen Oberfläche aufgebrachter Flüssigkeitstropfen (Abb. 1) veranschaulicht die Benetzung und ihre Unterteilung. Dabei ist die Benetzbarkeit von den Verhältnissen der beteiligten Oberflächenspannungen abhängig, die über die Youngsche Gleichung mit dem Kontaktwinkel in Beziehung stehen und diesen damit zum Maß für die Benetzbarkeit machen. Je kleiner dabei der Kontaktwinkel ist, desto größer ist die Benetzbarkeit.

Vollständige Benetzung

Kontaktwinkel Die Flüssigkeit breitet sich auf der Oberfläche in Form einer flachen Scheibe aus (makroskopischer Kontaktwinkel nicht vorhanden). Erst bei stärkerer Neigung der Oberfläche rinnt die Flüssigkeit herunter. Dabei zieht sich die Flüssigkeitsscheibe in die Länge und bildet einen Streifen in Neigungsrichtung. Flüssigkeitsreste bleiben an der Oberfläche haften, auch bei stärkster Neigung. Im Idealfall handelt es sich um einen monomolekularen Film und einen Kontaktwinkel von Null. Im Fall des Wassers und einer glatten, jedoch auch extrem hydrophoben Oberfläche, können Kontaktwinkel von maximal 120° erreicht werden. Bei aufgerauten Oberflächen mit hydrophobem Charakter kann dieser Winkel jedoch auch bis zu 160° betragen. Dies bezeichnet man als Superhydrophobie.

Partielle Benetzung

Die Flüssigkeit auf der Oberfläche bildet eine runde Haube (Kontaktwinkel kleiner 90°). Bei mittlerer Neigung der Oberfläche gleitet die Flüssigkeit keulenförmig von der Oberfläche herunter. Keine oder wenig Flüssigkeitsrückstände sind zu beobachten.

Keine Benetzung

Die Flüssigkeit auf der Oberfläche zieht sich zu einem fast kugelförmigen Tropfen zusammen (Kontaktwinkel größer 90°). Bei leichter Neigung der Oberfläche gleitet der Tropfen ohne jegliche Flüssigkeitsrückstände herunter, mit anderen Worten: sie perlt ab. Im Idealfall handelt es sich um einen Kontaktwinkel von 180°, was bendingen würde das der Flüssigkeitstropfen den Feststoff nur an einem Punkt berührt.

Beispiele

- Blätter von Pflanzen in Kontakt mit Wassertropfen zeigen, je nach Blattart, einer der drei oben beschriebene Fälle der Benetzung. Die Lotus-Blume zum Beispiel weist nur eine sehr geringe Benetzung auf, was dem Lotus-Effekt geschuldet ist.
- Speiseöl in einer gereinigten Teflon-Bratpfanne weist eine partielle Benetzung auf. Bei Erhitzen des Öls geht die partielle in eine vollständige Benetzung über. Die Benetzung einer Festkörper-Oberfläche hängt neben den drei bereits genannten Eigenschaften noch von weiteren Faktoren ab. Dazu zählen die Temperatur und das Gas (z.B. Luft), in dem sich Flüssigkeit und Festkörper befinden.

Weiterführendes

- Um Benetzung auf molekularer Ebene zu verstehen, muss man die van der Waalsschen Kräfte berücksichtigen.
- Benetzung bildet die Grundlage für Kapillarität. Kategorie:Physik

Flüssigkeit

Unter einer Flüssigkeit versteht man einen Stoff, welcher einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt. Flüssigkeiten sind also volumenbeständig und formunbeständig. Dieser Zustand wird flüssiger Aggregatzustand genannt. Der flüssige Zustand ist nicht allein stoffspezifisch, sondern hängt auch von äußeren Faktoren wie der Temperatur und dem Druck ab. Wechselt eine solche Flüssigkeit ihren Aggregatzustand, so spricht man von einer Phasenumwandlung, wobei der Begriff der Phase selbst einen Überbegriff zum Aggregatzustand darstellt. Mit den Gasen werden die Flüssigkeiten zu den Fluiden zusammengefasst.

Eigenschaften

Die temperaturabhängige Volumenausdehnung einer Flüssigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert. Das Kompressionsmodul ist ein Maß für die adiabatische Volumenelastizität, das heißt für die „Zusammendrückbarkeit“ einer Flüssigkeit. Viele Eigenschaften von Flüssigkeiten lassen sich durch Molekulardynamik simulieren. In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit äußerer Kräfte nehmen Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine kugelförmige Gestalt an. Flüssigkeiten üben auf die Wand des Gefäßes in dem sie sich befinden einen hydrostatischen Druck aus, zum Beispiel den Wasserdruck. Ruhende Flüssigkeiten sind physikalisch hauptsächlich durch diesen Druck gekennzeichnet. Übt man von außen Druck auf Flüssigkeiten aus, so verteilt sich der Druck gleichmäßig in der ganzen Flüssigkeit. Je tiefer man einen Körper in eine Flüssigkeit taucht, desto größer wird der hydrostatische Druck auf den Körper. Dieser hängt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe, sondern auch von der Dichte der Flüssigkeit ab. In strömenden Flüssigkeiten treten zusätzliche Größen auf, welche durch die Fluiddynamik beschrieben werden. Kategorie:Strömungslehre Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:液体 ko:액체 ms:Cecair simple:Liquid

Rauigkeit

Die Rauigkeit oder Rauheit (veraltet auch Rauhigkeit) ist ein Begriff aus der Oberflächenphysik, der die Unebenheit der Oberflächenhöhe bezeichnet. Zur quantitativen Charakterisierung der Rauigkeit gibt es unterschiedliche Berechnungsverfahren, die jeweils auf unterschiedliche Eigenheiten der Oberfläche Rücksicht nehmen. Vor allem in der Technik ist die Rauigkeit sehr wichtig, z. B. bei technischen Gleit- oder Sichtflächen. Die Messung erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Perthometers.

Rauheitskennwerte

Es werden im Alltag grundsätzlich drei Rauigkeitsangaben verwendet, die in der Einheit μm angegeben werden.
- Die mittlere Rauigkeit, dargestellt durch das Symbol

R_a

, gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zum Mittelwert der Oberflächenhöhe an und entspicht damit dem arithmetischen Mittel der Abweichung. In zwei Dimensionen berechnet sie sich aus:

R_a = \frac\, \sum_^ \sum_^ \left\vert z \left( x_m,y_n \right) - \left\langle z \right\rangle \right\vert

:wobei der Mittelwert durch

\left\langle z \right\rangle= \frac \sum_^ \sum_^ z \left( x_m,y_n \right)

:berechnet wird. :Etwas leichter vorstellbar ist die mittlere Rauigkeit (in einer Dimension) als die Höhe des Rechtecks, das die gleiche Länge wie die zu untersuchende Strecke und den gleichen Flächeninhalt wie jene Fläche zwischen Bezugshöhe und Profil hat.
- Die so genannte quadratische Rauigkeit (englisch rms-roughness = root-mean-squared roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird aus dem Mittel der Abweichungsquadrate berechnet und entspricht dem "quadratischem Mittel"

R_ = \sqrt

.
- Die so genannte gemittelte Rautiefe, dargestellt durch das Symbol

R_z

, wird folgendermaßen ermittelt:
- Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in fünf gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt.
- Von jeder dieser Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils ermittelt.
- Aus den somit erhaltenen fünf Werten wird der Mittelwert gebildet.

Diskussion der Rauheitsparameter

quadratischem Mittel Wie in Bild 1 vereinfacht für 1 Dimension zu sehen ist, sind die mittlere Rauigkeit und die quadratische Rauhigkeit nur von der absoluten Abweichung der Höhe vom Mittelwert abhängig, aber nicht von der Verteilung der Höhenwerte über die Fläche. So ergibt sich beispielsweise für die mittleren Rauigkeiten in den Bildern A und C

R_a= 2

und

R_= 2

, während die Werte für Bild B sich zu

R_a= 1

und

R_= 1

berechnen

R_a

und

R_

sind also ungeeignet um Aussagen über die Ortsfrequenz der Unebenheiten zu treffen. Um diese Ortsauflösung zu analysieren, wird häufig die Fouriertransformation verwendet.

Literatur

- DIN EN ISO 4287 Kategorie:Oberflächenphysik

Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung ist ein Effekt, der dazu führt, dass sich die Oberfläche einer Flüssigkeit wie eine elastische Folie verhält und in einen möglichst glatten Zustand minimaler Ausdehnung strebt. Das heißt, die Oberfläche einer Flüssigkeit strebt immer den energieärmsten Zustand an. Je größer die Oberflächenspannung eines Festkörpers dabei ist, desto geringer ist auch dessen Benetzbarkeit und damit umso "kugelförmiger" die Gestalt des Wassertropfens (großer Kontaktwinkel). Als Oberflächenspannung (Formelsymbol: σ, γ; SI-Einheit: N/m) bezeichnet man weithin auch die Grenzflächenspannung, die auf die Grenzfläche zweier Stoffe in beliebiger Phase wirkt.

Bedeutung der Oberflächenspannung

Phase Die Oberflächenspannung bewirkt, dass manche Insekten, die Wasserläufer, auf der Wasseroberfläche laufen können. Sollte das Insekt jedoch die Oberfläche durchstoßen, würde es untergehen. Man kann auch flache Gegenstände wie zum Beispiel Rasierklingen oder ein Stück Aluminiumfolie auf eine Wasseroberfläche legen, ohne dass sie dabei untergehen, sobald sie jedoch weit genug eingetaucht werden, sinken sie auf den Grund. Eine hohe Oberflächenspannung erschwert Benetzungsvorgänge, beispielsweise benetzt hochreines Wasser die Stoffe von Kleidungsstücken nur schlecht, es perlt ab. Dies ist einer der Gründe dafür, warum man beim Waschen Waschmittel zugibt, das mit seinen seifenartigen Stoffen (Tensiden) das Benetzen erleichtert.

Was ist Oberflächenspannung?

Vergrößert man die Oberfläche einer Flüssigkeit, so muss man - eben aufgrund der Oberflächenspannung - eine Arbeit verrichten. Die Oberflächenspannung wird nun so definiert: Die Arbeit, die zur Vergrößerung der Oberfläche verrichtet werden muss, geteilt durch die Fläche, die dabei zusätzlich entsteht. Die Oberflächenspannung kann daher auch als Oberflächenenergiedichte bezeichnet werden. Bei der Vergrößerung der Fläche muss man eine Kraft ausüben, beispielsweise wenn man eine an einem Draht hängende Flüssigkeitslamelle vergrößert, indem man den Draht nach oben zieht. Die Kraft ist der Drahtlänge proportional, und für Flüssigkeiten ist die Kraft pro Längeneinheit gleich der Änderung der Oberflächenenergie.

Thermodynamische Definition

Eine allgemeinere thermodynamische Definition der Oberflächenspannung ist: Die Oberflächenspannung σ ist die Ableitung der freien Enthalpie G nach der Fläche A bei konstanter Temperatur T und bei konstantem Druck p: :

\sigma = \left(\frac \right)_

Die Freie Enthalpie hat die Dimension einer Energie. Somit hat σ die Dimension einer Energie/Fläche (SI-Einheit: J/m² = N/m).

Wie entsteht die Oberflächenspannung?

Sie entsteht aus der gegenseitigen Anziehungskraft der Moleküle oder Atome, aus denen die oberflächenbildende Phase aufgebaut ist. Wenn man die Oberfläche bzw. Grenzfläche in erster Näherung als Schnittfläche betrachtet, dann kann man die Oberflächenenergie als Energie der nichtabgesättigten Bindungen pro Fläche verstehen (Kohäsion). Die Oberflächenspannung ist für makroskopische Systeme keine Funktion der Oberflächengeometrie.

Ursache: Anziehende Kräfte

Kohäsion Rechts ist schematisch gezeigt, dass die anziehenden Kräfte auf ein Teilchen (Atom oder Molekül) an einer Oberfläche unsymmetrisch wirken. Derartige Bilder werden oft zur Erklärung der Oberflächenspannung verwendet, sie dürfen aber nicht falsch verstanden werden.

Was dieses Schema in Bezug auf die Oberflächenspannung richtig wiedergibt

# Die Oberflächenspannung kommt durch die anziehenden Kräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen zustande; diese sind im Mittel stärker als die Kräfte zwischen zwei Teilchen in der Gasphase oder zwischen einem Teilchen in der Flüssigkeitsoberfläche und einem nahen Gasteilchen. # Die Ursache der Oberflächenspannung ist der Symmetriebruch an der Oberfläche im Vergleich zum Inneren der Flüssigkeit und zum Inneren der Gasphase.

Vorsicht vor Fehlinterpretationen!

Die Oberflächenspannung wirkt in der Oberfläche, nicht senkrecht dazu! Sie kommt zwar durch die im Schema angedeuteten Anziehungskräfte zustande, ihre Richtung ergibt sich aber nicht einfach aus der Summe der gezeigten Kraftvektoren! Das Schema zeigt nur die anziehenden Kräfte, es treten aber auch abstoßende Kräfte auf, wenn sich zwei Teilchen zu nahe kommen. Im Gleichgewicht gibt es keine resultierende Kraft, die in Richtung Flüssigkeitsinneres wirkt! Falls eine solche auftreten sollte, würde sie das Teilchen nach innen beschleunigen, bis die abstoßenden Kräfte überhandnehmen. Daraus folgt, dass an der Oberfläche die mittleren Teilchenabstände und damit die Dichte anders sind als im Inneren der Phasen: Aufgrund der ständigen Bewegung der Teilchen einer Flüssigkeit - sie verschieben sich gegeneinander, prallen voneinander ab etc. - sind die mittleren Gleichgewichtsabstände in der Oberfläche größer und die Dichte ist kleiner. Eine Verringerung der Oberfläche führt daher zu einem Energiegewinn, und dieser ist die Ursache der Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft, die auch im thermodynamischen Gleichgewicht auftritt, wenn also die Flüssigkeit im Gleichgewicht mit ihrem Dampf steht. Dann ändert sich die Position der Phasengrenze nicht, und es wirken im Mittel auf ein Teilchen auch keine Kräfte senkrecht zur Phasengrenze, das heißt im Mittel wird ein Teilchen weder in Richtung Flüssigkeitsinneres noch in Richtung Gasphase beschleunigt, und zwar unabhängig davon, wo es sich befindet. Natürlich wirkt im Gleichgewicht auch keine Kraft, die Teilchen innerhalb der Grenzfläche beschleunigt.

Folgen der Oberflächenspannung

In dem Bestreben die Oberflächenenergie zu verringern, also die offenen Bindungen auf der gesamten Oberfläche abzusättigen, wird die Oberfläche von Flüssigkeiten verringert. Da bei gegebenem Volumen eines Körpers eine Kugel die geringste Oberfläche hat, versuchen Flüssigkeiten, auf die (wie etwa in der Schwerelosigkeit) keine weiteren Kräfte wirken, die Kugelform anzunehmen (siehe Artikel Seifenblase). In einem Flüssigkeitstropfen, beispielsweise in einem kleinen Wassertropfen, oder einer Gasblase in einer Flüssigkeit, herrscht aufgrund der Oberflächenspannung an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gasphase ein erhöhter Druck, ebenso im Inneren einer Seifenblase. Die Druckerhöhung wird durch die Young-Laplace-Gleichung beschrieben.

Messung der Oberflächenspannung

Man kann die Oberflächenspannung zum Beispiel mit Hilfe der Ring- (von Lecomte De Noüy), Platten- (von Wilhelmy) oder Bügel-Methode (von Lenard), mit einem Tensiometer oder durch den Kapillareffekt messen. Auch kann man über eine optische Auswertung den hängenden Tropfen vermessen und so die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ermitteln. Kleine Übersicht über die Methoden:
- Du-Noüy-Ringmethode: Klassische Methode zur Messung der Grenzflächenspannung und Oberflächenspannung. Unkritisch auch bei schwierigen Benetzungsverhältnissen. Gemessen wird die Kraft einer vom Ring hochgezogenen Flüssigkeitslamelle.
- Wilhelmy-Plattenmethode: Universalmethode, speziell geeignet für Oberflächenspannungsmessungen über einen längeren Zeitbereich. Gemessen wird die Kraft, die sich durch die Benetzung der senkrecht aufgehängten Platte ergibt.
- Spinning-Drop-Methode: Zur Bestimmung von Grenzflächenspannungen. Besonders geeignet für niedrige bis extrem niedrige Messbereiche. Gemessen wird der Durchmesser eines rotierenden Tropfens in der schweren Phase.
- Pendant-Drop-Methode: Geeignet für Grenz- und Oberflächenspannungsmessungen. Messmöglichkeiten auch bei extremen Drücken und Temperaturen. Optische Erfassung der Tropfengeometrie.
- Blasendruck-Methode: Optimale Messtechnik zur Oberflächenspannungsmessung in Abhängigkeit vom Oberflächenalter. Gemessen wird der maximale Blasendruck.
- Tropfen-Volumen-Methode: Überlegene Methode zur dynamischen Messung von Grenzflächenspannungen. Gemessen wird die Tropfenanzahl, in die sich ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen teilt.
- Prüftinten-Methode: Ein in der Industrie (z.B. bei der Verklebung von Selbstklebefolien)auf Kunststoffen angewandter Test.Auf die zu prüfende Oberfläche wird mittels Pinsel eine gefärbte Flüssigkeit ("Tinte") mit definierter Oberflächenspannung aufgetragen. Wenn die Oberfläche von der Tinte benetzt wird (d.h. der Pinselstrich bleibt für > 3 Sekunden bestehen ohne sich zusammenzuziehen) ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche gleich oder größer als die der Prüftinte. Zieht sich der Pinselstrich dagegen binnen 3 Sekunden zusammen, ist die Oberflächenspannung der geprüften Oberfläche kleiner als die der Prüftinte.

Werte der Oberflächenspannung

Wasser hat also eine vergleichsweise hohe Oberflächenspannung, nur die von Quecksilber ist noch wesentlich höher. Für Wasser gilt ausgehend von dem Wert bei 20 °C und der gewünschten Temperatur T in Kelvin die folgende Näherungsgleichung: :

\sigma = 007275  \cdot (1-0002 \cdot (T - 291))

Abhängigkeit der Oberflächenspannung von Zusammensetzung und Temperatur

Grenzflächenaktive Substanzen setzen die Oberflächenspannung herab; ihr Effekt kann auch durch einen der Oberflächenspannung entgegengesetzten Lateraldruck π beschrieben werden; π ist kein eigentlicher Druck, sondern hat dieselbe Einheit wie die Oberflächenspannung. Die angrenzende Luftschicht ist vom Dampf der Flüssigkeit gesättigt. Das Eindringen anderer Dämpfe von außen kann die Oberflächenspannung erheblich verändern. Die Oberflächenspannung ist auch temperaturabhängig und nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Am kritischen Punkt ist sie gleich null. Die Temperaturabhängigkeit wird durch die Eötvössche Regel beschrieben; die oben bereits angebene Gleichung :

\sigma = 007275  \cdot (1-0002 \cdot (T - 291))

ist ein für Wasser geltender Speziallfall dieser Regel.

Historisches

Der Begriff der Oberflächenspannung wurde erstmals 1629 von N. Cabeo verwendet und 1751 von Segner klarer gefasst. Zur Theorie wurde 1805 von Thomas Young, 1806 von Pierre-Simon Laplace, 1830 von Poisson Wertvolles (siehe auch Young-Laplace-Gleichung, Youngsche Gleichung) und 1842 bis 1868 von Joseph Plateau beigetragen.

Weblinks

- [http://www.unimeter.net/interim/4_OberflSpannung_A.htm Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und Messmethoden]
- [http://www.kruss.de/messtechnik/oberflaechenspannung_de.html Theoretische Einführung zur Messung der Oberflächenspannung] Kategorie:Strömungslehre Kategorie:Weiche Materie ja:表面張力

Kontaktwinkel

Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet (siehe Bild 1). Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je geringer diese Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel. Aus der Bestimmung der Kontaktwinkel können bestimmte Eigenschaften der Oberfläche eines Feststoffs - wie zum Beispiel die Oberflächenenergie - bestimmt werden. In Bild 2 ist der Kontaktwinkel eines liegenden Tropfen mit den Größen der Oberflächenspannung abgebildet. Siehe auch Youngsche Gleichung, Young-Laplace-Gleichung und Oberflächenspannung. Im Spezialfall der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit bezeichnet man bei geringen Kontaktwinkel (ca. 0°, Bild 3a) die Oberfläche als hydrophil, bei Winkeln um 90° (Bild 3b) als hydrophob und bei noch größeren Winkeln (Bild 3b) als superhydrophob. Letzteres wird bei sehr hohen Winkeln (ca. 160°) auch als Lotuseffekt bezeichnet und entspricht einer extrem geringen Benetzbarkeit. Durch Oberflächenbehandlung kann der Kontaktwinkel verändert werden. Beispiele (vom Erstautor gemessen):

Weblinks

- [http://www.dataphysics.de/deutsch/service_lit.htm Literatur zu Kontaktwinkel und Kontaktwinkelmessung]
- [http://www.kruss.de/index.html Theoretische Grundlagen der Kontaktwinkelmessung (siehe Auswahlfeld "Theorie")] Kategorie:Physikalische Größe

Lotus-Effekt

] Der Lotuseffekt bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen, unter anderem bei der Lotuspflanze. Auf der Blüte und den Blättern wird selbst extrem gut haftendes Farbpulver von Wasser einfach weggespült, nicht einmal Klebstoff auf Wasserbasis bleibt an der Oberfläche haften. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Schilfrohr, Akelei, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt.

Ursache

Nachdem der Botaniker Prof. Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn feststellte, dass manche Pflanzen im Herbarium häufig schmutzig waren, wogegen Individuen anderer Arten während vieler Jahre stets sauber blieben, untersuchte er dieses Phänomen genauer und beschrieb dessen chemo-physikalische Grundlagen zusammen mit C. Neinhuis in den 1990er Jahren. Wassertropfen haben wie alle Flüssigkeiten die Tendenz zur Minimierung ihrer Oberfläche in Form einer Kugel. Dem wirken Erdanziehung und Adhäsion entgegen, letzteres jedoch in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung. Die Ursache des Effekts liegt in der besonderen Oberflächenstruktur der Pflanzen. Die Epidermis bildet dabei etwa fünf bis zehn Mikrometer hohe und zehn bis fünfzehn Mikrometer voneinander entfernte Noppen, denen eine Cuticula aufgelagert ist. Sie besteht aus einem Grundgerüst von Polymeren wie Cutin und den darin eingelagerten hydrophoben Wachsen. Durch die Oberflächenstruktur der Pflanzen werden gegenüber Wasser Kontaktwinkel von bis zu 160° erreicht (Superhydrophobie). Das bedeuted, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Die Adhäsion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel – die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgerissen und weggespült. Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass der Lotuseffekt in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann. Die Voraussetzung zur Reproduzierung des Effekts sind daher mikro- und nanostrukturierte, super-hydrophobe Oberflächen (5-20 μm hoch und 5-50 μm voneinander entfernt, 1 μm =

10^

m).

Biologische Bedeutung

Die biologische Bedeutung dieses Effekts liegt für die Pflanze im Schutz vor einer Besiedlung durch Mikroorganismen, Krankheitserregern oder Keimen, beispielsweise Pilzsporen, oder dem Bewuchs mit Algen. Dies gilt in ähnlicher Weise für Tiere wie Schmetterlinge, Libellen und andere Insekten, die mit ihren Beinen nicht überall an ihren Körper zum Säubern hinreichen. Ein weiterer Faktor ist, das Verschmutzungen den Lichteinfall vermindern und Spaltöffnungen verschließen können, was durch den Lotuseffekt verhindert wird.

Anwendungen

Der Begriff Lotus-Effect wurde 1997 eingeführt (in einem Artikel in Planta, s. Literatur). Im Jahr 1995 wurde das Patentierungsverfahren durchgeführt und erste Kooperationsverträge mit der Industrie abgeschlossen. Es ist mittlerweile gelungen, die Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden. Kommerzielle Produkte sind selbstreinigende Dachziegel und eine selbstreinigende Fassadenfarbe („Lotusan“). Es ist auch gelungen, einen Autolack mit Lotuseffekt herzustellen, leider sind die optischen Eigenschaften wirtschaftlich unerwünscht, der Lack wirkt wegen der erhöhten Rauheit zu matt. Aus dem Bereich der Nanotechnologie gibt es mittlerweile ebenfalls Beschichtungen, die superhydrophob sind. Diese Oberflächen sind zwar wasserabweisend, jedoch nicht selbstreinigend, sondern easy-to-clean. Es gibt auch Spray-Beschichtungen, die solche Nano-Strukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden. Siehe auch: Bionik

Literatur

- Wilhelm Barthlott, Zdenek Cerman, Anne Kathrin Stosch: Der Lotus-Effekt: Selbstreinigende Oberflächen und ihre Übertragung in die Technik. Biologie in unserer Zeit 34 (5), S. 290–296 (2004), ISSN 0045-205X
- Barthlott, W. & C. Neinhuis, 1997: The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces, Planta 202: 1-8.

Weblinks

- [http://www.botanik.uni-bonn.de/system/bionik_flash.html Projektgruppe Lotus-Effect am Botanischen Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn]
- [http://www.baustoffchemie.de/db/lotus-effekt-patente/ Lotus-Effekt (selbstreinigende Oberflächen)]
- [http://www.lotuseffekt.de/ Lotus-Effect als Wortmarke] Kategorie:Biotechnologie Kategorie:Botanik Kategorie:Bionik Kategorie:Nanotechnologie

Temperatur

Die Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße, die vom Menschen als Wärme beziehungsweise Kälte empfunden wird. Hohe Temperaturen bezeichnet man als heiß, niedrige als kalt. Tatsächlich jedoch beschreibt die Temperatur die mittlere kinetische Energie pro Teilchen, sie ist eine makroskopische und damit phänomenologische Größe und verliert bei Betrachtungen auf Teilchenebene ihren Sinn.

Wärmeleitung und Temperaturempfinden

Stehen zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: # Wärmeleitung # Konvektion # Wärmestrahlung Der Mensch kann Temperaturen nur im Bereich um 30 °C fühlen. Genau genommen nimmt man nicht Temperaturen wahr, sondern die Größe des Wärmestroms durch die Hautoberfläche, weshalb man auch von einer gefühlten Temperatur spricht. Dies hat für das Temperaturempfinden einige Konsequenzen:
- Temperaturen oberhalb der Oberflächentemperatur der Haut fühlen sich warm an, solche unterhalb empfinden wir als kalt
- Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Metalle, führen zu höheren Wärmeströmen und fühlen sich deshalb wärmer beziehungsweise kälter an, als Materialien mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, wie Holz oder Polystyrol
- Bei gleich kalter Außentemperatur ist die gefühlte Temperatur bei Wind durch den Windchill niedriger als bei Windstille
- Der Mensch kann Lufttemperatur von überlagerter Wärmestrahlung nicht unterscheiden, was auch ganz allgemein gilt und unter anderem dazu führt das Lufttemperaturen immer im Schatten gemessen werden
- Gleiche Temperatur wird von den beiden Händen als unterschiedlich wahrgenommen, wenn diese selbst unterschiedliche Oberflächentemperatur aufweisen Genaugenommen gilt dies nicht nur für das menschliche Empfinden, auch in vielen technischen Anwendungen ist nicht die Temperatur von Bedeutung, sondern der Wärmestrom. So hat die Atmosphäre der Erde oberhalb 1000 km Temperaturen von mehr als 1000 °C, dennoch verglühen deshalb keine Satelliten. Auf Grund der geringen Teilchendichte ist der Energieübertrag minimal.

Temperatur, thermische Energie und der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik

Die formalen Eigenschaften der Temperatur werden in der Thermodynamik behandelt und dort über die Entropie S und die innere Energie U definiert. Man bezeichnet die Temperatur hier als eine systemeigene, intensive Zustandsgröße. Im eindimensionalen Fall in x-Richtung kann man die Temperatur über folgende Gleichung definieren: :

\frac = \frac

Bei einer sehr großen Ansammlung von Teilchen und dem Vorliegen eines idealen Gases, kann man die Maxwell-Boltzmann-Verteilung anwenden und in der Folge die Temperatur wie folgt definieren: :

T := \frac

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- M - Molmasse
- R - universelle Gaskonstante
-

\sqrt

- quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit (hier zum Quadrat) Die Temperatur ist damit ein Maß für den durchschnittlichen ungerichteten, also zufälligen, Bewegungsenergieanteil (kinetische Energie) einer Ansammlung von Teilchen. Die Teilchen sind hierbei die Luftmoleküle bzw. die Moleküle oder Atome eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers. In der statistischen Mechanik steht die Temperatur mit der Energie pro Freiheitsgrad in Zusammenhang. Im idealen Gas aus einatomigen Molekülen sind das drei Translationsfreiheitsgrade pro Molekül und bei mehratomigen Gasen können weitere Rotationsfreiheitsgrade hinzu kommen. Bei Gasen kann man diesen Zusammenhang zwischen Temperatur und Teilchengeschwindigkeit nach obiger Beziehung sogar quantitativ angeben. Eine Verdopplung der Temperatur auf der Kelvin-Skala führt bei idealen Gasen zu einer Erhöhung der quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit um den Faktor 2^½ = 1,414. Zwei unterschiedliche Gase haben dann die gleiche Temperatur, wenn das Produkt aus der Molmasse des jeweiligen Gases und dem Quadrat der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit gleich groß ist. Im thermischen Gleichgewicht nimmt jeder Freiheitsgrad der Materie (Bewegung, potenzielle Energie, Schwingungen, elektronische Anregungen etc.) eine der Temperatur entsprechende Menge an Energie auf. Wieviel genau muss aus der kanonischen Verteilung (Boltzmannkonstante) berechnet werden und ist durch das Verhältnis von Energie zu Temperatur mal Boltzmannkonstante k_B bestimmt. Bei der kontinuierlichen (klassischen) kinetischen Energie ist dies genau k_BT/2. Die Boltzmannkonstante ergibt einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur, welcher 11.606,7 Kelvin pro Elektronenvolt beträgt. Bei Raumtemperatur (300 Kelvin) ergibt dies 0,0258472 eV. Die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen ist abhängig von der Molekülmasse bzw. Molmasse. Dabei sind die schweren Teilchen jedoch auch langsamer. Bei idealen Gasen gleichen sich Massenerhöhung und Geschwindigkeitsernierdrigung gegenseitig aus, was zum Gesetz von Avogadro führt. Die thermische Energie ist jedoch wie die Temperatur selbst nur ein Mittelwert innerhalb eines Vielteilchensystems und ihr Zusammenhang mit der Teilchengeschwindigkeit lässt sich ebenfalls aus der Maxwell-Boltzmann-Verteilung ableiten: :

\overline = \frac m \overline

Das thermische Gleichgewicht hat eine wichtige Eigenschaft, welche in der Thermodynamik zur Formulierung des Nullten Hauptsatzes führt. Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht. Das thermische Gleichgewicht ist damit transitiv, was es möglich macht die empirische Temperatur θ einzuführen. Diese ist so definiert, dass zwei Systeme genau dann die gleiche empirische Temperatur haben, wenn sie sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Messung der Temperatur

Messung durch Kontakt

Die Temperaturmessung erfolgt mit Hilfe von Thermometern oder anderen wärmesensitiven Messgeräten. Bei Messungen mit massebehafteten Sensoren ist der Wärmeleitung besonders Rechnung zu tragen: Man muss genügend lange warten, bis diese Temperatur-Angleichung im Rahmen der gewünschten Messgenauigkeit eingetreten ist. Andererseits können dabei andere Einflüsse wirksam werden (z.B. Wärmestrahlung, eigener Atem). Die Messgenauigkeit wird bei den feinsten Methoden durch die Brownsche Molekularbewegung begrenzt, bei der Lufttemperatur aber meist durch lokale Turbulenzen. Die Temperaturerfassung durch Kontakt ist in vier Teilbereiche aufzuteilen: #die mechanische Erfassung mittels #
- Gas- oder Flüssigkeitsthermometer (z.B. traditionelle Quecksilber- oder Alkoholthermometer) #
- Bimetallthermometer #
- Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben; Farbumschlag bei einer bestimmten Temperatur) #
- Seeger-Kegel (Formkörper, die ihre Festigkeit und dadurch ihre Kontur bei einer bestimmten Temperatur ändern) #die resistiven Temperaturaufnehmer (Widerstandsthermometer) #die Thermoelemente #die indirekte, erfahrungsgestützte Messung über tabellierte Stoffdaten (zum Beispiel umgekehrte Schmelzpunktbestimmung) Schmelzpunktbestimmung

Messung durch elektromagnetische Strahlung

Die Temperatur kann indirekt durch die Wärmestrahlung mit einem Pyrometer gemessen werden. Durch diese ist auch eine Thermografie möglich, also eine Farbanzeige oder Hell-Dunkel Darstellung der Temperatur von Flächen und Räumen wie im Bild zur Linken, welches einem Kaffeeautomaten zeigt. Gut erkennbar ist hierbei auch die thermische Spiegelung. Eine andere Art der Temperaturmessung durch elektromagnetische Strahlung auch anderer Wellenlängenbereiche bieten die Bolometer. Siehe hierzu auch Messgeräte, Messtechnik, Messung und Kategorie Temperaturmessung
Temperaturskalen und ihre Einheiten

SI-Einheit
Die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur (Formelzeichen: T) ist Kelvin (Einheitenzeichen: K). Ein Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser, bei dem dessen feste, flüssige und gasförmige Phase koexistieren. Der Nullpunkt der Kelvinskala liegt beim absoluten Nullpunkt. Es ist üblich und nützlich Temperaturdifferenzen immer in Kelvin anzugeben.
Nicht-SI-Einheiten
Die empirische Temperatur (Formelzeichen:

\vartheta

; gelegentlich auch t), auch als Celsiustemperatur bezeichnet, da in Grad Celsius (Einheitenzeichen: °C) angegeben, ergibt sich damit aus der thermodynamischen Temperatur durch : $\vartheta/^\circ\mathrm = T/\mathrm-273,\!15$ . Temperaturdifferenzen können vom Prinzip her auch in Grad Celsius angegeben werden, das den gleichen Skalenabstand aufweist wie die Kelvin-Skala, dessen Nullpunkt sich aber auf den Gefrierpunkt von Wasser beim Normaldruck (mittlerer Luftdruck auf Meereshöhe) bezieht. Der so festgelegte Gefrierpunkt liegt gerade 0,01 K unterhalb der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. In den USA ist die Fahrenheit-Skala mit der Einheit Grad Fahrenheit (Einheitenzeichen: °F) immer noch sehr gebräuchlich. Die absolute Temperatur auf Fahrenheit-Basis wird mit Grad Rankine (Einheitenzeichen: °Ra) bezeichnet. Die Rankine-Skala hat den Nullpunkt wie die Kelvin-Skala beim absoluten Temperaturnullpunkt, im Gegensatz zu dieser jedoch die Skalenabstände der Fahrenheit-Skala.
Temperaturskalen
Eine Temperaturskala ist eine Methode der Angabe einer Temperatur in einer Skala und damit der Bestimmung der jeweiligen Messtemperatur in Bezug zu einem Vergleichswert. Zu ihrer Erstellung werden immer mindestens zwei Fixpunkte benötigt. Diese legt man bei bestimmten temperaturabhängigen Eigenschaftsänderungen von Stoffen oder auch anderen Messergebnissen fest. Die häufigsten Fixpunkte sind hierbei der absolute Temperaturnullpunkt, sowie der Schmelzpunkt und Siedepunkt von Wasser. Ausgehend von diesen Fixpunkten wählt man einen Gradabstand für die Größe des Intervalls zwischen zwei Graden und kann auf diese Weise eine Maßeinheit für die Temperatur definieren. Es ist dabei jedoch wichtig, dass der Temperaturbereich zwischen den gewählten Fixpunkten einen konstanten Anstieg aufweist, da man ansonsten unterschiedlich große Gradabstände erhält, je nachdem ob die betrachtete Temperatur näher oder ferner von einem der Fixpunkte liegt. Die bekanntesten Temperaturskalen mit ihren verschiedenen Charakteristika sind in den folgenden Tabellen dargestellt. Die heute gültige Temperaturskala ist die "International Temperature Scale of 1990" (ITS-90). :¹ Einige Werte dieser Tabelle sind gerundet :² Übliche Körpertemperatur ist 36.8 °C ± 0.7 °C, oder 98.2 °F ± 1.3 °F Ein Programm zur automatischen Temperaturumrechnung ist in den Weblinks zu finden.
Ausgewählte Temperaturen
Spezifische Stoffwerte können den entsprechenden Artikel wie beispielsweise Siedepunkt und Schmelzpunkt entnommen werden. Ein Vergleich der Größenordnung von Temperaturen der Kelvin-Skala ist gesondert dargetellt.
Siehe auch

- Kategorie Schwellenwerte der Temperatur
- Absolute Temperatur
- Kritische Temperatur
- Curie-Temperatur
- Debye-Temperatur
- Boyle-Temperatur
- Dopplertemperatur
- Oberflächentemperatur
- Rekristallisationstemperatur
- Potenzielle Temperatur
- Virtuelle Temperatur
- Temperaturresistenz
- Tagesmitteltemperatur
- Wärmekapazität
Weblinks

- [http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/units.html#temp Temperatur-Umrechnung]
- [http://www.temp-web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=26 Informationen rund um die Temperatur]
- [http://www.its-90.com/ Website der ITS-90 (engl.)]
- [http://www.marco-burmeister.de/index_frameaufbau.html?helferlein_temperatur_grad Umrechnungen zw. den Temperaturskalen Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine, Réaumur (Online)] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Thermodynamik Kategorie:Temperaturmessung ja:温度 ko:온도 th:อุณหภูมิ

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

Molekül

Ein Molekül (älter auch: Molekel) ist ein Teilchen, das aus mindestens zwei zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind. Moleküle stellen die kleinsten Teilchen dar, die die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes haben. Es gibt Moleküle, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind (O₂, N₂, P₄ u.v.m), die meisten Moleküle sind aber Verbindungen aus Nichtmetallen mit einem (oder mehr) weiteren Nichtmetallen oder Halbmetallen. Einen etwas größeren Verbund von gleichartigen Atomen nennt man Cluster.

Bindungsart in Molekülen

In Molekülen halten die verbundenen Atome über gemeinsame Elektronenpaare zusammen. Man nennt solche Bindungen auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung. Wenn auch die einzelnen Atome keine vollen Elementarladungen haben, also nicht als Ionen vorliegen, kann es durch unsymmetrisch verteilte Bindungselektronenpaare zu Teilladungen kommen. Man unterteilt deshalb die Atombindungen in:
- kovalente Bindung / unpolare Atombindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist 0. Diese Art der Bindung kommt genau genommen nur bei Elementmolekülen, d.h. bei Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammen gesetzt sind, vor. Man fasst im weiteren Sinne allerdings auch Bindungen zwischen Atomen (z.B. zwischen C und H) als kovalente Bindungen auf, deren Differenz der Elektronegativität größer 0 und kleiner 0,4 ist.
- polare Bindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist größer 0,4 und kleiner 1,8.

Zwischenmolekulare Kräfte (sortiert nach abnehmender Stärke)

Zwischen den Molekülen können verschiedene Kräfte wirken, die sich zum Beispiel auf die Siede- und Schmelztemperatur und die Löslichkeitseigenschaften auswirken können.
- Wasserstoffbrückenbindung
- Dipol-Dipol-Kräfte
- van-der-Waals-Kräfte

Darstellung

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Die Summenformel eignet sich für einfache Moleküle, insbesondere anorganische Moleküle, z.B. H₂O für Wasser oder NH₃ für Ammoniak. Sie enthält die Atomsymbole der im Molekül enthaltenen Elementsorten, deren Anzahl über einen Index (die tiefgestellte Zahl) angegeben ist. Die Wirkung von Intermolekularen Kräften ist auch bei kleineren Molekülen von der räumlichen Struktur der Moleküle abhängig. Zur Beschreibung dieser Struktur dient die VSEPR-Theorie. Bei komplexeren Molekülen, wie sie vor allem in der organischen Chemie vorkommen, liefert eine Summenformel oft keine ausreichende Beschreibung, da es verschiedene Moleküle mit der gleichen Summenformel (Isomere) geben kann. Deshalb wird dazu die Strukturformel verwendet, die den Aufbau graphisch darstellt. In einigen Fällen, spiegelbildlich gebauten Molekülen, den Enantiomeren, gibt auch die Strukturformel nicht ausreichend Aufschluss über die nach außen wirksame Struktur. Hier werden Fischer- und Haworth-Projektion verwendet. Bei hochkomplexen Molekülen wie Proteinen oder polymeren Kohlenhydraten spielt die räumliche Darstellung eine noch größere Rolle. Man versucht, räumliche Darstellungen über Farbgebung zu erreichen (Bsp.: Hämoglobin). Man spricht dann - je nach Ebene - von der Primärstruktur (bei Proteinen durch die Abfolge der Aminosäuren definiert), der Sekundärstruktur (Auffaltung zu einer Helix oder einem Faltblatt), der Tertiärstruktur (Auffaltung der Sekundärstruktur zu Kugeln oder Fasern ) und der Quartärstruktur. (siehe hierzu: Protein)

Siehe auch:

- Chemische Bindung
- Atombindung
- Ionenbindung
- Molekularphysik
- Molekülbaukasten
- Ölfleckversuch Kategorie:Chemie Kategorie:Genetik Kategorie:Atomphysik als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล Kategorie:Chemie

Kapillarität

Der Begriff Kapillarität oder Kapillareffekt ist lateinisch für Haarröhrchenwirkung. Sie hängt mit der Oberflächenspannung zusammen. Der Kapillareffekt ist eine Erscheinung, bei der eine Flüssigkeit in eine mit ihr in Verbindung stehende dünne Röhre (Kapillare) entweder hineingezogen oder aus ihr verdrängt wird. So genannte benetzende Flüssigkeiten (Flüssigkeiten mit einer geringen Oberflächenspannung) wie z. B. Wasser steigen in einem Röhrchen etwas auf und haben eine nach unten gekrümmte (konkave) Oberfläche. Diese Wirkung nennt man Kapillaraszension. Die Kapillardepression dagegen tritt bei Flüssigkeiten auf, die nicht benetzend sind (Flüssigkeiten mit einer hohen Oberflächenspannung) - sie perlen ab. Solche Flüssigkeiten haben in einem Röhrchen einen niedrigeren Pegel als in der Umgebung und sind nach oben gekrümmt, also konvex. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit ist Quecksilber. Die Oberfläche der Flüssigkeit strebt immer von ihrem Mittelpunkt weg, da die benetzenden Flüssigkeiten versuchen, die Wand zu benetzen. Durch diese Wechselwirkung der Kapillarwand mit der Flüssigkeit steigt diese in begrenztem Maße. An einem bestimmten Punkt heben sich Schwerkraft und Kapillarkräfte auf. Die Höhe der Flüssigkeitssäule verhält sich dabei zum Röhrchendurchmesser umgekehrt proportional. Das heißt: bei halbem Durchmesser steigt die Flüssigkeit doppelt so hoch. Der Effekt zeigt sich also besonders ausgeprägt in dünnen Glasröhren (Kapillaren).

Kategorie:Physik

Hauptartikel:
Physik
Portal:Physik zu Forschungsinstituten/-zentren siehe auch: :Kategorie:Forschungsinstitut, :Kategorie:Forschungszentrum, :Kategorie:Wissenschaftliche Gesellschaft Kategorie:!Hauptkategorie Kategorie:Naturwissenschaft Kategorie:Thema als:Kategorie:Physik ja:Category:物理学 ko:분류:물리학 ms:Category:Fizik th:Category:ฟิสิกส์

John Taylor (1808-1887)

John Taylor (November 1, 1808 – July 25, 1887) was the third President of The Church of Jesus Christ of Latter-day Saints from 1880 to 1887. Taylor was born in Milnthorpe, Westmorland (now Cumbria), England. He had formal schooling up to age fourteen, and then he served an apprenticeship to a cooper before becoming a woodturner and cabinetmaker. He was christened in the Church of England, but joined the Methodist church at sixteen. He was appointed a lay preacher a year later, and even then felt a calling to preach in America. His family emigrated to Canada in 1832, where he married Leonora Cannon from the Isle of Man on January 28, 1833.

Church service

Taylor and his wife were baptized as Mormons in 1836 after meeting with Church apostle Parley P. Pratt in Toronto, and they were active in the preaching and organization of the church in Canada. They then moved to Far West, Missouri, where Taylor was ordained an Apostle on December 19, 1838. He assisted other church members as they fled frequent conflict to Commerce, Illinois. In 1839 he and some of his fellow apostles brought the words of Joseph Smith to Ireland and the Isle of Man as missionaries. He returned to the Mormon-built city of Nauvoo, Illinois to serve as a city councilman, a chaplain, a colonel, a judge advocate for the Nauvoo Legion (the city's militia), and as a newspaper editor. Nauvoo Legion In 1844, Taylor was with church founder Joseph Smith, his brother Hyrum Smith and others in the Carthage, Illinois jail when the Smiths were killed as they awaited a hearing regarding the destruction of an anti-Mormon newspaper. Taylor was severely wounded in the conflict, and many Mormons believe that his life was divinely spared when a bullet directed towards his chest was stopped by a pocket watch which he was carrying at the time of the Smith Brothers' assassination. In 1846, most Mormons followed Brigham Young into territory then controlled by Mexico, while Taylor went to England to resolve problems in church leadership there. On his return, he and Pratt led more followers to the Salt Lake Valley in 1847. He was appointed an associate judge in the provisional State of Deseret in 1849 and served in the territorial legislature from 1853 to 1876. He was elected Speaker of the House for five consecutive sessions, beginning in 1857. In 1852 Taylor wrote a small book, The Government of God in which he compared and contrasted the systems of God and man.

Actions as Church President

Following Brigham Young's death in 1877, the Quorum of the Twelve Apostles governed the Church, with John Taylor as the senior apostle. Taylor was appointed the third President of the church in 1880. He oversaw the expansion of the Salt Lake community, the organization of the Church hierarchy, the establishment of Mormon communities in other states, and the defense of polygamy against increasing opposition. In October 1880, the Pearl of Great Price was canonized. Taylor also oversaw the issuance of a new edition of the Doctrine and Covenants. In 1882, the Congessional Edmunds Act declared polygamy a felony. Hundreds of men and women were arrested and imprisoned for continuing to practice polygamy. Taylor had followed Joseph Smith's teachings on polygamy, and had at least seven wives. He is known to have fathered thirty-five children. Taylor and his counselors withdrew from public view to live in the "underground:" frequently on the move to avoid arrest. During his last public sermon Taylor remarked, "I would like to obey and place myself in subjection to every law of man. What then? Am I to disobey the law of God? Has any man a right to control my conscience, or your conscience? ...No man has a right to do it" (JD 26:152). Many viewed LDS polygamy as religiously, socially and politically threatening. The U.S. Congress passed the Edmunds-Tucker Act in 1887, which abolished women's suffrage, forced wives to testify against their husbands, disincorporated the LDS church, dismantled the Perpetual Emigration Fund Company, abolished the Nauvoo Legion, and provided that LDS church property in excess of $50,000 would be forfeited to the United States. For two and a half years, President Taylor presided over the church from exile. The strain of his struggle took a great toll on his health. He died on July 25, 1887, from congestive heart failure in Kaysville, Utah. For two years after his death, the church was without a presidency. The Quorum of the Twelve Apostles, with Wilford Woodruff as president of the quorum, assumed sole leadership in this interim period. In the April General Conference of 1889, the First Presidency was reorganized with Wilford Woodruff as the president. Six months later, in the October General Conference, Anthon H. Lund was called to fill President Taylor's vacancy in the Quorum of the Twelve Apostles. ---- His eldest son, John W. Taylor, continued to serve in the church and in politics, and after the Church abandoned plural marriage as an essential church doctrine in 1890, helped to shepherd Utah to statehood in 1896.

References

- Allen, James B. and Leonard, Glen M. The Story of the Latter-day Saints. Deseret Book Co., Salt Lake City, UT, 1976. ISBN 0-87747-594-6.
- Ludlow, Daniel H., Editor. Church History, Selections from the Encyclopedia of Mormonism. Deseret Book Company, Salt Lake City, UT, 1992. ISBN 0-87579-924-8.
- Jon Krakauer's Under the Banner of Heaven: A Story of Violent Faith (Doubleday, New York, 2003) takes its title from a speech given by Taylor on January 4, 1880 in defense of the Mormon practice of polygamy: "We believe in honesty, morality, and purity; but when they enact tyrannical laws, forbidding us the free exercise of our religion, we cannot submit. God is greater than the United States, and when the Government conflicts with heaven, we will be ranged under the banner of heaven and against the Government.…"

External links

- http://www.lightplanet.com/mormons/daily/history/people/taylor_eom.htm
- http://historytogo.utah.gov/strugglechrono.html
- http://www.polygamyinfo.com/past_media%20plyg%2057%20trib.htm
- http://www.2bc.info/JTaylor.pdf Taylor, John Taylor, John Taylor, John Taylor, John Taylor, John Taylor, John Taylor, John Taylor, John

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