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Lernziele
- Identifizieren der grundlegenden Maßeinheiten der sieben Grundeigenschaften
- Beschreiben Sie die Namen und Abkürzungen derSI-Basiseinheitenund dasIF-Dezimalpräfixe.
- Definiere dasLiterund dasTonnein diesen Einheiten.
- Erklären Sie die Bedeutung und Verwendung vonGeräteabmessungen; Geben Sie die Abmessungen anVolumen.
- Geben Sie die Mengen an, die zur Definition von a erforderlich sindTemperaturskala, und zeigen Sie, wie diese auf die zutreffenCelsius, Kelvin,UndFahrenheitTemperaturskalen.
- Erklären Sie, wie ein TorricellianerBarometerfunktioniert.
Haben Sie schon einmal eine Entfernung geschätzt, indem Sie „absteigen“ – das heißt, indem Sie die Anzahl der Schritte gezählt haben, die erforderlich sind, um eine bestimmte Entfernung zurückzulegen? Oder vielleicht haben Sie die Breite Ihrer Hand oder den Abstand zwischen Ihrem Ellbogen und einer Fingerspitze verwendet, um zwei Dimensionen zu vergleichen. Wenn ja, haben Sie sich an der wahrscheinlich ersten Art von Messung beteiligt, die jemals von der primitiven Menschheit durchgeführt wurde. Die Ergebnisse einer Messung werden immer auf einer Art ausgedrücktSkaladas wird in Bezug auf eine bestimmte Art von definiertEinheit. Die ersten Entfernungsskalen bezogen sich wahrscheinlich auf den menschlichen Körper, entweder direkt (die Länge eines Gliedes) oder indirekt (die Entfernung, die ein Mann an einem Tag zurücklegen konnte).
Mit der Entwicklung der Zivilisation entstand eine Vielzahl von Maßstäben, viele davon für die gleiche Größe (z. B. Länge), aber an bestimmte Aktivitäten oder Berufe angepasst. Schließlich stellte sich heraus, dass diese Maßstäbe, um Handel und Gewerbe zu ermöglichen, anhand von Standards definiert werden mussten, die eine Überprüfung der Maße ermöglichten und, wenn sie in verschiedenen Einheiten (z. B. Scheffel und Peck) ausgedrückt wurden, korreliert oder konvertiert werden.
Geschichte der Einheiten
Im Laufe der Jahrhunderte haben sich in den vielen Zivilisationen Hunderte von Maßeinheiten und Skalen entwickelt, die über geeignete Mittel zur Aufzeichnung verfügten. Einige, wie die der Azteken, wurden nicht mehr genutzt und gerieten mit dem Aussterben dieser Zivilisationen weitgehend in Vergessenheit. Andere Einheiten, wie die verschiedenen in England entwickelten Maßsysteme, erlangten durch die Ausweitung des Empire und den weit verbreiteten Handel Bedeutung; Viele davon waren auf bestimmte Gewerbe oder Industrien beschränkt. Die hier gezeigten Beispiele sind nur einige Beispiele, die zur Messung von Längen oder Entfernungen verwendet wurden. Die Geschichte der Messgeräte bietet einen faszinierenden Einblick in die Geschichte der industriellen Entwicklung.
Das einflussreichste Ereignis in der Geschichte der Messung war zweifellos die Französische Revolution und das darauf folgende Zeitalter der Rationalität. Dies führte direkt zum metrischen System, das versuchte, die verwirrende Vielfalt der Maßskalen zu beseitigen, indem es sie auf einige grundlegende Maßstäbe reduzierte, die kombiniert werden konnten, um jede Art von Größe auszudrücken. Das metrische System verbreitete sich schnell in weiten Teilen der Welt und schließlich sogar in England und dem Rest des Vereinigten Königreichs, als dieses Land in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts engere Wirtschaftsbeziehungen mit Europa aufbaute. Die Vereinigten Staaten sind derzeit das einzige große Land, in dem die „Metrikierung“ innerhalb der eigenen Gesellschaft kaum Fortschritte gemacht hat, wahrscheinlich aufgrund seiner relativen geografischen Isolation und seiner dynamischen Binnenwirtschaft.
Da die Wissenschaft ein wirklich internationales Unterfangen ist, hat sie sich schon sehr früh für die metrische Messung entschieden; Der Maschinenbau und die damit verbundenen Technologien haben diesen Wandel zwar langsamer vollzogen, tun dies aber allmählich. Selbst innerhalb des metrischen Systems wurden jedoch verschiedene Einheiten verwendet, um dieselbe Grundgröße zu messen; Beispielsweise könnte Energie im metrischen System in den Einheiten Erg, Elektronenvolt, Joule und zwei Arten von Kalorien ausgedrückt werden. Dies führte Mitte der 1960er Jahre zur Einführung eines grundlegenderen Einheitensatzes, desSysteme Internationale(UND) Einheiten, die heute als Standard für die Wissenschaft und zunehmend auch für Technologie aller Art gelten.
Die SiebenUNDBasiseinheiten und Dezimalpräfixe
Im Prinzip kann jede physikalische Größe durch nur sieben Basiseinheiten ausgedrückt werden (Tabelle \(\PageIndex{1}\)), wobei jede Basiseinheit durch einen in der Tabelle beschriebenen Standard definiert istNIST-Website.
| Eigentum | Einheit | Symbol |
|---|---|---|
| Länge | Meter | M |
| Masse | Kilogramm | kg |
| Zeit | zweite | S |
| Temperatur (absolut) | Kelvin | K |
| Menge der Substanz | Mol | Mol |
| elektrischer Strom | Ampere | A |
| Leuchtstärke | Candela | CD |
Einige Besonderheiten einiger dieser Einheiten sind erwähnenswert:
- Die Basiseinheit vonMasseist insofern einzigartig, als ein Dezimalpräfix (Tabelle \(\PageIndex{2}\)) darin eingebaut ist; d. h. die Basis-SI-Einheit ist nicht dieGramm.
- Die Basiseinheit vonZeitist der einzige, der nicht metrisch ist. Zahlreiche Versuche, dies zu erreichen, waren nie von Erfolg gekrönt; Wir stecken immer noch im 24:60:60-System fest, das wir aus der Antike geerbt haben. Die alten Ägypter erfanden um 1500 v. Chr. den 12-Stunden-Tag, und der 60:60-Teil ist ein Überbleibsel des Basis-60-Systems, das die Sumerer um 100 v. Chr. für ihre astronomischen Berechnungen verwendeten.
- Von besonderem Interesse für die Chemie ist dieMol, die Basiseinheit zum Ausdrücken derMenge an Materie. Obwohl die Zahl in der offiziellen Definition nicht explizit erwähnt wird, definieren Chemiker das Mol als Avogadro-Zahl (ungefähr 6,02 x 10).23) von irgendetwas.
Aufgrund des breiten Wertebereichs, den Größen annehmen können, ist es seit langem üblich, Präfixe wie Milli und Mega zu verwenden, um Dezimalbrüche und Vielfache metrischer Einheiten anzugeben. Im Rahmen des SI-Standards wurde dieses System erweitert und formalisiert (Tabelle \(\PageIndex{2}\)).
| Präfix | Abkürzung | Multiplikator | Präfix | Abkürzung | Multiplikator | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| peta | P | 1018 | dezi | S | 10–1 | |
| tera | T | 1012 | cm | C | 10–2 | |
| giga | G | 109 | National | M | 10-3 | |
| Mega | M | 106 | Mikro | M | 10–6 | |
| Kilo | k | 103 | Nano | N | 10–9 | |
| Hekto | H | 102 | Pico | P | 10–12 | |
| Deka | Und | 10 | Femto | F | 10-15 |
Pseudo-Si-Einheiten
Es gibt eine Kategorie von Einheiten, die „Ehrenmitglieder“ der SI in dem Sinne sind, dass es akzeptabel ist, sie zusammen mit den oben definierten Basiseinheiten zu verwenden. Dazu gehören so banale Einheiten wie Stunde, Minute und Grad (Winkel) usw., aber die drei hier gezeigten sind für die Chemie von besonderem Interesse und Sie müssen sie kennen.
| Liter (Liter) | L | 1 L = 1 dm3= 10-3M3 |
| Tonne | T | 1 t = 103kg |
| Vereinigte Atommasseneinheit (amu) | u | 1 u = 1,66054×10–27kg |
Abgeleitete Einheiten und Dimensionen
Die meisten physikalischen Größen, mit denen wir in der Wissenschaft und auch in unserem täglichen Leben tatsächlich zu tun haben, haben eigene Einheiten: Volumen, Druck, Energie und elektrischer Widerstand sind nur einige von Hunderten möglicher Beispiele. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass all dies in Form der SI-Basiseinheiten ausgedrückt werden kann; Sie werden daher als bekanntabgeleitete Einheiten. Tatsächlich können die meisten physikalischen Größen in einer oder mehreren der folgenden fünf Grundeinheiten ausgedrückt werden:
- Masse (M)
- Länge (L)
- Zeit (T)
- elektrische Ladung (Q)
- Temperatur (Θ Theta)
Betrachten Sie zum Beispiel die Einheit vonVolumen, die wir als V bezeichnen. Um das Volumen eines rechteckigen Kastens zu messen, müssen wir die entlang der drei Koordinaten gemessenen Längen multiplizieren:
\[V = x · y · z\]
Wir sagen daher, dass das Volumen die Dimensionen einer kubischen Länge hat:
\[dim\{V\} = L^3\]
Somit sind die Volumeneinheiten m3(im SI) oder cm3, ft3(Englisch) usw. Darüber hinaus muss jede Formel, die ein Volumen berechnet, das L enthalten3Abmessungen; somit ist das Volumen einer Kugel \(4/3 πr^3\). DerMaßeeiner Einheit sind die Potenzen, die M, L, t, Q undQmuss angegeben werden, um die Einheit auszudrücken. Daher,
\[dim\{V\} = M^0L^3T^0Q^0 Θ^0\]
wie oben angegeben.
Es gibt mehrere Gründe, warum es sich lohnt, über die Abmessungen einer Einheit nachzudenken.
- Die vielleicht wichtigste Verwendung von Dimensionen besteht darin, uns dabei zu helfen, die Beziehungen zwischen verschiedenen Maßeinheiten zu verstehen und dadurch ihre physikalische Bedeutung besser zu verstehen. Ein Blick auf die Dimensionen der häufig verwechselten elektrischen Begriffe „Widerstand“ und „Spezifischer Widerstand“ sollte es Ihnen beispielsweise ermöglichen, den Unterschied zwischen ihnen in einfachen Worten zu erklären.
- Aus dem gleichen Grund sagen Ihnen die Dimensionen im Wesentlichen, wie Sie jede dieser Größen berechnen können, und zwar unter Verwendung der von Ihnen gewünschten spezifischen Einheiten. (Beachten Sie hier die Unterscheidung zwischen Dimensionen und Einheiten.)
- Genauso wie man Äpfel nicht zu Birnen hinzufügen kann, ist ein Ausdruck wie \(a = b + cx^2\) bedeutungslos, es sei denn, die Abmessungen jeder Seite sind identisch. (Natürlich sollten beide Seiten auch die gleichen Einheiten haben.)
- Viele Größen müssen dimensionslos sein – zum Beispiel die Variable x in Ausdrücken wie \(\log x\), \(e^x\) und \(\sin x\). Die Überprüfung der Dimensionen einer solchen Menge kann dabei helfen, Fehler zu vermeiden.
Die formale, detaillierte Untersuchung von Dimensionen wird als bezeichnetDimensionsanalyseund ist ein Thema in jedem Grundkurs der Physik.
Beispiel \(\PageIndex{1}\)
Finden Sie die Dimensionen der Energie.
Lösung
Wenn an einem Körper mechanische Arbeit verrichtet wird, erhöht sich seine Energie um die geleistete Arbeit, sodass die beiden Größen gleichwertig sind und wir uns auf die Arbeit konzentrieren können. Letztere ist das Produkt aus der auf das Objekt ausgeübten Kraft und der Entfernung, um die es verschoben wird. Nach dem Newtonschen Gesetz ist Kraft das Produkt aus Masse und Beschleunigung, und letztere ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit, typischerweise ausgedrückt in Metern pro Sekunde und Sekunde. Die Kombination dieser Größen und ihrer Dimensionen ergibt das in Tabelle \(\PageIndex{1}\) gezeigte Ergebnis.
| Q | M | L | T | Menge | SI-Einheit, andere typische Einheiten |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | elektrische Ladung | Coulomb | |||
| 1 | Masse | Kilogramm, Gramm, metrische Tonne, Pfund | |||
| 1 | Länge | Meter, Fuß, Meile | |||
| 1 | Zeit | Sekunde, Tag, Jahr | |||
| 3 | Volumen | Liter, cm3, Quart, Fluidounce | |||
| 1 | -3 | Dichte | kg m-3, g cm-3 | ||
| 1 | 1 | –2 | Gewalt | Newton, Dyne | |
| 1 | –1 | –2 | Druck | Pascal, Atmosphäre, Torr | |
| 1 | 2 | –2 | Energie | Joule, Erg, Kalorien, Elektronenvolt | |
| 1 | 2 | -3 | Leistung | Watt | |
| 1 | 1 | 2 | –2 | elektrisches Potenzial | Volt |
| 1 | –1 | elektrischer Strom | Ampere | ||
| 1 | 1 | 1 | –2 | elektrische Feldstärke | war m–1 |
| –2 | 1 | 2 | –1 | elektrischer Widerstand | Ohm |
| 2 | 1 | 3 | –1 | elektrischer Widerstand | |
| 2 | –1 | –2 | 1 | elektrische Leitfähigkeit | Siemens usw |
Die Dimensionsanalyse wird häufig eingesetzt, wenn es darum geht, eine Einheit in eine andere umzuwandeln, und Chemiestudenten verwenden sie häufig in „chemischen Arithmetik“-Berechnungen, in diesem Zusammenhang wird sie auch als „Faktor-Label“-Methode bezeichnet. In diesem Abschnitt betrachten wir einige der in der Chemie weit verbreiteten Größen und die Einheiten, in denen sie üblicherweise ausgedrückt werden. Dabei betrachten wir auch den tatsächlichen Wertebereich, den diese Größen annehmen können, sowohl in der Natur im Allgemeinen als auch innerhalb der Teilmenge der Natur, mit der sich die Chemie normalerweise befasst. Bei der Betrachtung der verschiedenen Maßeinheiten ist es interessant festzustellen, dass ihre Einheitswerte denen der alltäglichen menschlichen Erfahrung nahe kommen
Masse ist nicht Gewicht
Diese beiden Größen werden weitgehend verwechselt. Obwohl sie im informellen Sprechen und Schreiben oft synonym verwendet werden, haben sie unterschiedliche Dimensionen:Gewichtist derGewaltdurch das lokale Gravitationsfeld auf eine Masse ausgeübt:
\[f = m a = m g \label{Gl1}\]
WoGist die Erdbeschleunigung. Während der Nominalwert der letztgenannten Größe 9,80 m s beträgt–2An der Erdoberfläche variiert sein genauer Wert lokal. Da es sich um eine Kraft handelt, ist die SI-Einheit des Gewichts eigentlich dasNewton, aber es ist üblich (außer im Physikunterricht!), die Begriffe „Gewicht“ und „Masse“, also die Einheiten, austauschbar zu verwendenKilogrammUndGrammsind in fast allen normalen Laborkontexten akzeptabel.
Bitte beachten Sie, dass in diesem und den folgenden Diagrammen die numerische Skala das darstelltLogarithmusder angezeigten Nummer. Die Masse des Elektrons beträgt beispielsweise 10–30kg.
Der Massenbereich umfasst 90 Größenordnungen, mehr als jede andere Einheit. Der Bereich, mit dem sich die Chemie normalerweise befasst, hat sich seit den Tagen, als ein Mikrogramm eine fast unvorstellbar kleine Materialmenge für die Handhabung im Labor war, erheblich erweitert; Mit der Entwicklung von Werkzeugen zur direkten Manipulation dieser Teilchen ist diese Untergrenze nun auf die atomare Ebene gesunken. Die obere Ebene spiegelt die größten Massen wider, die in Industriebetrieben gehandhabt werden, aber in den neu entwickelten Bereichen der Geochemie und Umweltchemie kann der Bereich unbegrenzt erweitert werden. Elementströme zwischen den verschiedenen Regionen der Umwelt (z. B. Atmosphäre und Ozeane) werden häufig in Teragrammen angegeben.
Länge
Chemiker arbeiten meist im mäßig kleinen Teil des Entfernungsbereichs. Wer in der Liliput-Welt der Kristall- und Molekülstrukturen und Atomradien lebt, findet dasPikometereine praktische Währung, aber man sieht immer noch die ältere Nicht-SI-Einheit namensDampfstromin diesem Zusammenhang verwendet; 1 Å = 10–10m = 220 Uhr. Auch die Nanotechnologie, der Trend der Gegenwart, ist in diesem Bereich angesiedelt. Die größten Polymermoleküle und Kolloide bilden das obere Ende des Partikelbereichs; darüber hinaus, in der normalen Welt der Arbeit im Labor, dieZentimeterund gelegentlich dieMillimeterallgemein herrschen.
Zeit
Für den Menschen vergeht die Zeit im Takt des Herzschlags; Darüber hinaus sind es die Bewegungen unseres Planeten, die die Stunden, Tage und Jahre zählen, die letztlich unser Leben bestimmen. Jenseits der wenigen tausend Jahre Geschichte, die hinter uns liegen, haben diese Jahre in Zehnerpotenzen, die für Bereiche wie Evolutionsbiologie, Geologie und Kosmologie üblich sind, keine wirkliche Bedeutung mehr für uns. Vielleicht sind deshalb so viele Menschen nicht sehr geneigt, ihre Gültigkeit zu akzeptieren.
Das meiste, was tatsächlich im Reagenzglas des Chemikers abläuft, läuft auf einer viel kürzeren Zeitskala ab, obwohl es keine Begrenzung dafür gibt, wie langsam eine Reaktion sein kann; Die Obergrenzen derjenigen, die wir direkt im Labor untersuchen können, hängen zum Teil davon ab, wie lange ein Doktorand warten kann, bevor er eine Erwerbstätigkeit annimmt. Wenn wir die mikroskopische Welt der Atome und Moleküle selbst betrachten, versetzt uns die Zeitskala erneut in eine unwirkliche Welt, in der Zahlen dazu neigen, ihre Bedeutung zu verlieren. Sie können die Dauer einer Nanosekunde etwas einschätzen, indem Sie sich vergegenwärtigen, dass es sich dabei um die Zeit handelt, die ein Lichtstrahl braucht, um sich zwischen Ihren beiden ausgestreckten Händen zu bewegen. In gewisser Weise werden die materiellen Grundlagen der Chemie selbst durch die Zeit definiert: Weder ein neues Element noch ein Molekül kann als solches erkannt werden, wenn es nicht lange genug existiert, um durch Messung seiner charakteristischen Eigenschaften ein „Bild“ zu erhalten.
Temperatur
Die Temperatur, das Maß für die thermische Intensität, umfasst den engsten Bereich aller Basiseinheiten im Messwerkzeugkasten des Chemikers. Der Grund dafür liegt in der Bedeutung der Temperatur als Maß für die Intensität der thermischen kinetischen Energie. Chemische Veränderungen treten auf, wenn Atome in neue Anordnungen gedrängt werden, und die Schwäche dieser Bewegungen bringt den größten Teil der Chemie zum Stillstand, wenn der absolute Nullpunkt erreicht wird. Am oberen Ende der Skala werden thermische Bewegungen stark genug, um Moleküle in Atome zu verwandeln und schließlich, wie in Sternen, die Elektronen abzustreifen, wodurch eine im Wesentlichen reaktionslose gasförmige Flüssigkeit oder ein Plasma aus bloßen Kernen (Ionen) zurückbleibt Elektronen.
Der Abschluss ist wirklich einZuwachsder Temperatur, ein fester Bruchteil des Abstands zwischen zwei definierten Referenzpunkten auf aTemperaturskala.
Obwohl es bereits seit 170 n. Chr. grobe Methoden zum Schätzen und Vergleichen von Temperaturen gibt, wurden das erste Quecksilberthermometer und die erste Temperaturskala 1714 in Holland von Gabriel Daniel Fahrenheit eingeführt. Fahrenheit stellte auf seinem Thermometer drei Fixpunkte fest. Null Grad war die Temperatur einer Eis-, Wasser- und Salzmischung, was ungefähr die kälteste Temperatur war, die damals in einem Labor reproduziert werden konnte. Als er Salz aus der Aufschlämmung wegließ, erreichte er seinen zweiten Fixpunkt, als sich die Wasser-Eis-Kombination beim „zweiunddreißigsten Grad“ stabilisierte. Sein dritter Fixpunkt wurde „auf dem sechsundneunzigsten Grad gefunden, und der Geist dehnt sich auf diesen Grad aus, wenn das Thermometer in den Mund oder unter die Achselhöhle eines lebenden, gesunden Menschen gehalten wird.“
Nach dem Tod von Fahrenheit im Jahr 1736 wurde sein Thermometer neu kalibriert, wobei 212 Grad, die Temperatur, bei der Wasser siedet, als oberer Fixpunkt verwendet wurde. Die normale Körpertemperatur des Menschen lag bei 98,6 statt bei 96. Im Jahr 1743 erfand der schwedische Astronom Anders Celsius die Temperatur mit dem treffenden NamenCelsiusSkala, die genau 100 Grad zwischen den beiden Referenzpunkten angibt, die durch den Gefrier- und Siedepunkt von Wasser definiert werden.
Wenn wir sagen, dass die Temperatur so viele Grad beträgt, müssen wir die spezielle Skala angeben, auf der wir diese Temperatur ausdrücken. Eine Temperaturskala weist zwei definierende Merkmale auf, die beide beliebig gewählt werden können:
- Die Temperatur, die auf der Skala 0° entspricht;
- Die Größe derEinheiteninkrementder Temperatur – das heißt, die Größe derGrad.
Um eine auf einer Skala angegebene Temperatur auf einer anderen Skala auszudrücken, müssen beide Faktoren berücksichtigt werden. Der Schlüssel zur Temperaturumrechnung ist einfach, wenn man bedenkt, dass zwischen dem sogenannten Eis- und Dampfpunkt des Wassers 180 Grad Fahrenheit, aber nur 100 Grad Celsius liegen, also F° 100/180 = 5/9 Größe des C°. Beachten Sie die Unterscheidung zwischen „°C“ (aTemperatur) und „C°“ (eine Temperatur).Zuwachs). Da der Eispunkt bei 32 °F liegt, sind die beiden Skalen um diesen Betrag versetzt. Wenn Sie sich das merken, ist es nicht nötig, sich eine Umrechnungsformel zu merken; Sie können es jederzeit ausarbeiten, wenn Sie es brauchen.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts, als man begann, die physikalische Bedeutung der Temperatur zu verstehen, bestand das Bedürfnis nach einer Temperaturskala, deren Null eigentlich Null bedeutet – also das völlige Fehlen thermischer Bewegung. Daraus entstand dieabsolute Temperaturskaladessen Nullpunkt bei –273,15 °C liegt, der jedoch die gleiche Gradzahl wie die Celsius-Skala behält. Dies wurde schließlich nach Lord Kelvin (William Thompson) umbenannt; so wurde der Grad Celsius zumKelvin. Somit können wir nun einen Zuwachs von etwa fünf °C als „fünf Kelvin“ ausdrücken.
Die „andere“ absolute Skala
Im Jahr 1859 schlug der schottische Ingenieur und Physiker William J. M. Rankine eine absolute Temperaturskala vor, die auf dem Grad Fahrenheit basierte. Der absolute Nullpunkt (0° Ra) entspricht –459,67°F. Die Rankine-Skala wurde von denselben amerikanischen und englischen Ingenieuren ausgiebig genutzt, die gerne Wärmekapazitäten in der Einheit BTU pro Pfund pro F° ausdrücken.
Die Bedeutung absoluter Temperaturskalen besteht darin, dass absolute Temperaturen direkt in alle Grundformeln der Physik und Chemie eingegeben werden können, in denen die Temperatur eine Variable ist.
Druck
Druckist das Maß derGewaltauf eine Flächeneinheit ausgeübt wird. Seine SI-Einheiten sind daher Newton pro Quadratmeter, aber wir nutzen den Druck so häufig, dass eine abgeleitete SI-Einheit, diePascal, wird häufig verwendet:
\[1\; Pa = 1\; N \;m^{–2}\]
Der Druckbegriff entstand erstmals im Zusammenhang mit Untersuchungen zur Atmosphäre und zum Vakuum im 17. Jahrhundert.
Der atmosphärische Druck wird durch das Gewicht der Luftmolekülsäule in der Atmosphäre über einem Objekt, beispielsweise dem darunter liegenden Tankwagen, verursacht. Auf Meereshöhe entspricht dieser Druck ungefähr dem eines ausgewachsenen afrikanischen Elefanten, der auf einer Fußmatte steht, oder dem einer typischen Bowlingkugel, die auf Ihrem Daumennagel liegt. Das mögen riesige Mengen sein, und das sind sie auch, aber das Leben auf der Erde hat sich unter einem solchen atmosphärischen Druck entwickelt. Wenn Sie tatsächlich eine Bowlingkugel auf Ihrem Daumennagel platzieren, ist der ausgeübte Druck doppelt so hoch wie der übliche Druck und das Gefühl ist unangenehm.
Die Moleküle eines Gases befinden sich in einem Zustand ständiger thermischer Bewegung und bewegen sich in geraden Linien, bis es zu einer Kollision kommt, bei der ein Impuls zwischen Molekülpaaren ausgetauscht wird und diese in andere Richtungen abprallen. Dies führt zu einer völlig zufälligen Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten sowohl in Geschwindigkeit als auch in Richtung – oder wäre es so, wenn das Gravitationsfeld der Erde nicht vorhanden wäre, das auf jedes Molekül eine kleine nach unten gerichtete Kraft ausübt, was Bewegungen in diese Richtung einen sehr geringen Vorteil verschafft. In einem gewöhnlichen Behälter ist dieser Effekt zu gering, um spürbar zu sein, aber in einer sehr hohen Luftsäule summiert sich der Effekt: Die Moleküle in jeder vertikalen Schicht erfahren mehr nach unten gerichtete Schläge von denen darüber. Die resultierende Kraft verteilt sich schnell, was zu einem erhöhten Druck in dieser Schicht führt, der sich dann nach unten in die darunter liegenden Schichten ausbreitet.
Auf Meereshöhe drückt die Gesamtmasse des Luftmeeres jeweils 1 cm nach unten2Die Oberfläche beträgt etwa 1034 g oder 10340 kg m–2. Die Kraft (Gewicht), die die Erdbeschleunigung g auf diese Masse ausübt, beträgt
\[f = ma = mg = (10340 \;kg)(9,81\; m\; s^{–2}) = 1,013 \times 10^5 \;kg \;m \;s^{–2} = 1,013 \times 10^5\; N\]
Daraus ergibt sich ein Druck von 1,013 × 105nm–2= 1,013 × 105Pa. Der tatsächliche Druck auf Meereshöhe variiert mit den atmosphärischen Bedingungen, daher ist es üblich, den Standard-Atmosphärendruck als 1 atm = 1,01325 x 10 zu definieren5Pa oder 101,325 kPa. Obwohl die Standardatmosphäre keine SI-Einheit ist, wird sie dennoch häufig verwendet. In der Meteorologie ist dieBar, genau 1.000 × 105= 0,967 atm, wird häufig verwendet.
Das Barometer
Im frühen 17. Jahrhundert erfand der italienische Physiker und Mathematiker Evangalisto Torricelli ein Gerät zur Messung des Atmosphärendrucks. Der TorricellianerBarometerbesteht aus einem vertikalen Glasrohr, das oben geschlossen und unten offen ist. Es wird mit einer Flüssigkeit, traditionell Quecksilber, gefüllt und dann umgedreht, wobei das offene Ende in den Behälter mit derselben Flüssigkeit eingetaucht wird. Der Flüssigkeitsspiegel im Rohr sinkt unter seinem Eigengewicht, bis die nach unten gerichtete Kraft durch die vertikale Kraft ausgeglichen wird, die durch die nach unten gerichtete Kraft der Atmosphäre, die auf die Flüssigkeitsoberfläche im offenen Behälter wirkt, hydrostatisch auf die Säule übertragen wird. Torricelli war auch der Erste, der erkannte, dass der Raum über dem Quecksilber ein Vakuum darstellte, und es wird ihm zugeschrieben, der Erste zu sein, der ein Vakuum geschaffen hat.
EinsStandardatmosphärewird eine 760 mm hohe Quecksilbersäule tragen, also das „Millimeter Quecksilber“, heute allgemein als „Millimeter Quecksilbersäule“ bekannttorrist seit langem eine gängige Druckeinheit in den Wissenschaften:1 atm = 760 Torr.
Zusammenfassung
Die Naturwissenschaften beginnen mitÜberwachung,und das beinhaltet normalerweisenumerische Messungenvon Größen wie Länge, Volumen, Dichte und Temperatur. Die meisten dieser Mengen habenEinheitenIrgendeine Art ist damit verbunden, und diese Einheiten müssen beibehalten werden, wenn Sie sie in Berechnungen verwenden. Maßeinheiten können anhand einer sehr kleinen Anzahl grundlegender Einheiten definiert werden, die durch eine „dimensionale Analyse“ Einblick in ihre Ableitung und Bedeutung geben und bei der Umrechnung zwischen verschiedenen Einheitensystemen verstanden werden müssen.
Beiträge
Stephen Lower, emeritierter Professor (Simon Fraser U.)Virtuelles Lehrbuch Chem1
Paul Flowers (University of North Carolina – Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) und Richard Langley (Stephen F. Austin State University) mit beitragenden Autoren.Lehrbuchinhalte erstellt vonÖffnen Sie das Stax Collegeist lizenziert unter aCreative Commons Attribution License 4.0Lizenz.Kostenlos herunterladen unterhttp://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).