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  • Waage

    Eine Waage ist ein Messgerät zur Bestimmung der Masse. Man benutzt vor allem die folgenden vier Messprinzipien: direkter Massenvergleich, etwa durch Vergleich der von zwei Massen ausgeübten Drehmomente (z. B. Hebel- oder Balkenwaage), Messung einer von der Masse abhängigen Kraftwirkung, z. B. der Gewichtskraft (Kraftmesser bzw. Federwaage), des Drucks in einer abgeschlossenen Flüssigkeits- oder Gassäule (hydraulische bzw. pneumatische Waagen) oder von masseabhängigen elektromechanischen Größen, Bestimmung des Auftriebs eines in eine Flüssigkeit eintauchenden Körpers (Aräometer), radiometrische...

  • Wahrscheinlichkeit (Physik)

    Die Wahrscheinlichkeit ist zwar ein Begriff aus der Mathematik, sie spielt aber auch in der Physik eine sehr wichtige Rolle. Im Prinzip ist jede physikalische Messung ein Zufallsexperiment, dessen Ergebnis mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit mit dem wahren Wert der gemessenen Größe übereinstimmt. Auch aus diesem Grund sollte man jedes Messergebnis zusammen mit seinen Fehlergrenzen angeben, denn sonst lässt sich nicht beurteilen, wie wahrscheinlich es ist, dass man das Ergebnis einigermaßen ernst nehmen kann. In der statistischen Begründung der Thermodynamik ist die Wahrscheinlichkeit eines...

  • Wärme und Wärmeenergie

    Wärmeenergie (thermische Energie) ist eine Form von innerer Energie eines physikalischen Systems, und zwar die mit der ungerichteten Zufallsbewegung der mikrophysikalischen Bestandteile (Atome, Moleküle etc.) des Systems verbundene kinetische Energie. Sie wird berechnet als Mittelwert der zufälligen Bewegungsenergie aller Teilchen, dies zeigt die enge Verbindung zwischen Wärmelehre und Statistik. Als Wärme oder Wärmemenge Q bezeichnet man Wärmeenergie, die bei einem Prozess von einem System auf ein anderes übertragen wird. Genau wie Arbeit tritt also auch Wärme immer nur bei Prozessen auf. Ein...

  • Wärmeausdehnung und Wärmeausdehnungskoeffizient

    Wärmeausdehnung ist allgemein die Veränderung der Länge bzw. des Volumens eines Körpers bei Erhöhung oder Erniedrigung seiner Temperatur. Fast alle Körper dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. eine wichtige Ausnahme ist Wasser zwischen 0 °C und +4 °C (Anomalie des Wassers). Die Wärmeausdehnung ist bei Festkörpern kleiner als in Flüssigkeiten und dort (viel) kleiner als in Gasen. Im Festkörper sind vor allem der Fall einer linearen, also eindimensionalen Ausdehnung in Drähten, Schienen u. Ä. sowie die gleichmäßige Volumenausdehnung (s. u.) von Interesse. Im...

  • Wärmekapazität

    Die Wärmekapazität C eines Körpers ist der Quotient aus der ihm zugeführten bzw. entnommenen Wärme Q und der dabei auftretenden Temperaturänderung \(\Delta T\): \(C= \dfrac{\Delta Q}{\Delta T}\) Wenn man einen Körper bis zum absoluten Nullpunkt abkühlt, geht die Wärmekapazität bis auf null zurück. Dies bedeutet, dass man durch weiteren Wärmeentzug eine immer geringere Temperaturänderung hervorruft. Die Konsequenz hieraus ist, dass man den absoluten Nullpunkt nie ganz erreichen kann (dies ist die Aussage des dritten Hauptsatzes der Wärmelehre). Die SI-Einheit der Wärmekapazität ist Joule pro...

  • Wärmekraftmaschine

    Eine Wärmekraftmaschine (Wärmeenergiemaschine) ist eine Maschine, die Wärmeenergie in kinetische oder elektrische Energie umsetzt. Beispiele sind Verbrennungsmotoren (Verbrennungskraftmaschinen) und Kraftwerke. Thermodynamisch beschreibt man die Vorgänge in einer Wärmekraftmaschine anhand von Kreisprozessen. Eine Wärmekraftmaschine wird meist mit chemischer Energie (Energieträger: Benzin, Kohle, Erdöl, Gas) „gefüttert“, die im ersten Schritt durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt wird. Anschließend kommt der eigentliche Arbeitsschritt der Wärmekraftmaschine: die Wandlung von Wärme in...

  • Wärmelehre (Thermodynamik)

    Die Wärmelehre (Thermodynamik) behandelt alle Vorgänge, in denen Wärmeenergie eine Rolle spielt. Dabei gibt es einmal die klassische makroskopische Sichtweise, die thermodynamische Systeme durch stetige Zustandsfunktionen und -größen beschreibt, wie innere Energie, Volumen oder Temperatur. Ein umfassendes Verständnis liefert allerdings erst die mikroskopische Sichtweise der Statistischen Physik, die z. B. Wärmeenergie als gemittelte ungerichtete Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen erklärt. Die Quantenstatistik geht dabei von den Gesetzen der Quantenphysik aus, von denen die makroskopischen...

  • Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit

    Die Wärmeleitung ist einer der drei wesentlichen Prozesse des Wärmetransports. Sie beruht darauf, dass sich die Bewegungsenergien der kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle) in den beteiligten Körpern durch unvorstellbar viele Stöße einander angleichen. Die wesentlichen Punkte dabei sind: Beim Stoß zwischen zwei Atomen oder Molekülen wird (ungerichtete) Bewegungsenergie vom schnelleren auf das langsamere übertragen. Wärme fließt immer von Bereichen mit höherer Temperatur zu solchen mit niedrigerer Temperatur („von warm nach kalt“), da eine höhere Temperatur mit einer größeren mittleren...

  • Wärmepumpe

    Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das unter Energiezufuhr einem kälteren Medium (der „Wärmequelle“) Wärme entzieht und diese einem wärmeren Medium zuführt, also die natürliche Richtung der Wärmeleitung umkehrt. Das Prinzip ist identisch mit dem eines Kühlschranks bzw. einer Kältemaschine, nur dass hier sozusagen das Innerste nach außen gekehrt wird: Während bei einem Kühlschrank dem Inneren Wärme entzogen und nach außen (an die Küchenluft) abgegeben wird, entzieht die Wärmepumpe eines Passivhauses der Außenluft Wärme und heizt damit das Innere des Hauses auf. Im Idealfall kann eine elektrisch...

  • Wärmestrahlung

    Wärmestrahlung ist ganz allgemein die Abgabe von Wärme in Form von elektromagnetischen Wellen. Da Wärmestrahlung, die von einem anderen Körper absorbiert wird, diesen erwärmt, ist Wärmestrahlung neben Wärmeleitung und Konvektion eine drei Formen des Wärmetransports und zudem die einzige Möglichkeit, Wärme durch das Vakuum zu übertragen. Wenn sich Strahler und Empfänger von Wärmestrahlung im thermischen Gleichgewicht befinden, nennt man die Strahluzng auch Temperaturstrahlung. Ein idealer Temperaturstrahler ist ein schwarzer Strahler, dessen Spektrum zwar kontinuierlich ist, aber ein deutliches...

  • Wärmetransport

    Wärmetransport bzw. Wärmeübertragung ist der Übergang von Wärme zwischen zwei Körpern oder Medien. Wärmeübertragung erfolgt grundsätzlich auf drei Wegen: Wärmeleitung: Übertragung von mikroskopischer Bewegungsenergie von schnellen auf langsame Atome bzw. Moleküle, wenn sich die beiden Körper in direktem Kontakt befinden, Konvektion: Wärmeübertragung durch Transport von erwärmter Materie in einer Flüssigkeit, Wärmestrahlung: Absorption und Emission von elektromagnetischer Strahlung deren Energie der Wärmeenergie der beiden Körper entspricht. Im Vakuum ist nur der Austausch von Wärmestrahlung...

  • Wasserstoffatom

    Das Wasserstoffatom (H-Atom), genauer das nichtionisierte Wasserstoffisotop 1H ist ein wichtiges Modellsystem der Physik, das nur aus zwei Teilchen besteht, nämlich einem Proton und einem Elektron, die elektromagnetisch aneinander gebunden sind. Dass es einen stabilen Grundzustand gibt, lässt sich nur quantenmechanisch erklären. Die Bedeutung des H-Atoms beruht darauf, dass es das einzige atomare System ist, für das sich quantenmechanisch die Schrödinger-Gleichung lösen lässt. Die Lösungen der Schrödinger-Gleichung des H-Atoms sind sog. Wellenfunktionen, deren Quadrat die...

  • Wasserwellen

    Wasserwellen ist ein etwas unpräziser Sammelbegriff für im Wasser auftretende Wellenerscheinungen. Wichtig ist, dass bei einer Wasserwelle wie bei jeder Welle nur ein bestimmter Bewegungszustand und die damit verbundene Energie, aber kein Wasser transportiert wird. Bei Oberflächenwellen bewegen sich die Wassermoleküle auf kreisförmigen Bahnen, deren Durchmesser senkrecht auf der Wasseroberfläche stehen (Abb.). Bei Tsunamis, die an Küsten Amplituden von bis zu 30 m erreichen können, schwingt dagegen die gesamte, mehrere Kilometer hohe Wassersäule eines Ozeans mit – auf dem offenen Meer –...

  • Watt

    Das Watt (nach James Watt), Einheitenzeichen W, ist die SI-Einheit der Leistung. Dabei wird nicht zwischen elektrischer, mechanischer oder anderer Leistung unterschieden, weswegen man oft über das Watt zwischen mechanischen und elektrischen Einheiten umrechnet. 1 W ist gleich der Leistung, bei der während der Zeit 1 s die Energie 1 J (Joule) umgesetzt wird: \(1\,\text W = 1\,\dfrac{\text J}{\text s} = 1\,\text V \cdot \text A = 1\,\dfrac{\text m^2 \cdot \text{kg} }{\text s^3}\)

  • Wechselstrom und Wechselspannung

    Ein Wechselstromkreis ist ein Stromkreis, bei dem sich Stromstärke und Spannung periodisch ändern, man spricht daher von Wechselstrom und Wechselspannung. Für Wechselspannung verwendet man häufig das Symbol U~. Nach der engl. Bezeichnung „alternating current“ benutzt man für Wechselstrom auch die Abkürzung AC. Typische Elemente eines Wechselstromkreises sind eine Energiequelle, welche die Wechselspannung liefert, Ohm’sche Widerstände, Spulen und Kondensatoren. Meist ändern sich Stromstärke und Spannung (annähernd) sinusförmig, es gilt dann: \(I(t) = \hat I\cdot \sin \omega t \\ U(t) = \hat U...

  • Welle-Teilchen-Dualismus

    Der Welle-Teilchen-Dualismus (von lat. dualis „zwei enthaltend“) ist die für die moderne Physik so grundlegende wie schwer zu verstehende Tatsache, dass in der mikroskopischen Welt jedes Objekt sowohl Eigenschaften einer Welle als auch solche von Teilchen aufweist. Zum Beispiel kann man sowohl mit Licht als auch mit Elektronen oder Neutronen Interferenzmuster erzeugen (Wellencharakter), und beide rufen auf einer Fotoplatte punktförmige Schwärzungen hervor, wenn sie auf diese mit minimaler Intensität treffen (Teilchencharakter, d. h. Auftreten in diskreten „Portionen“ oder Quanten). In einer...

  • Wellenfunktion (Wahrscheinlichkeitswelle)

    Ganz allgemein ist eine Wellenfunktion eine von Ort und Zeit abhängige Funktion, die die Ausbreitung einer Welle modelliert. Im einfachsten Fall einer eindimensionalen Sinuswelle ist es die Sinusfunktion \(f(x, t) = \sin(\omega t - kx)\) (\(\omega\): Kreisfrequenz, \(k = 2\pi/\lambda\): Wellenzahl, \(\lambda\): Wellenlänge). In der Quantenmechanik gibt die Wellenfunktion \(\Psi(x, t)\) (oder genauer: das Quadrat ihres Betrages) an, wie sich die Wahrscheinlichkeit, ein Quantenobjekt am Ort x zu finden, mit der Zeit t ändert. Allerdings sind die Funktionswerte in diesem Fall komplexe Zahlen, mit...

  • Wellenlänge

    Die Wellenlänge \(\lambda\) ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten gleicher Phase bei einer Welle. Anders als die Frequenz, die auch bei Schwingungen definiert ist, gibt es die Wellenlänge nur bei sich ausbreitenden Wellen. Das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz einer Welle ist die Wellengeschwindigkeit c (beim Auftreten von Dispersion die Phasengeschwindigkeit). Der Kehrwert der Wellenlänge ist die Wellenzahl \(\tilde \nu = \dfrac 1 \lambda\).. Diese vor allem in der Spektroskopie benutzten Größe hat die SI-Einheit 1/m bzw. m–1.

  • Windenergie

    Die Windenergie ist eine regenerative Energieform, die mithilfe von Generatoren die Bewegungsenergie von Luftströmungen in elektrische Energie umwandelt. Wind entsteht in der Atmosphäre beim Ausgleich von Druckunterschieden, welche durch unterschiedlich starke Erwärmungen durch die Sonneneinstrahlung entstehen. Von der gesamten auf die Erde gelangenden Sonnenenergie erzeugen zwar nur 2 % Luft- und Meeresströmungen, dies ist aber immer noch weit mehr als die Leistung aller Kraftwerke der Welt zusammen. Technisch gesehen arbeiten heutige Windräder wie umgekehrte Flugzeugpropeller: Der...

  • Winkelgeschwindigkeit und Kreisfrequenz

    Winkelgeschwindigkeit und Kreisfrequenz sind zwei eng miteinander verwandte physikalische Größen, die bei Rotationsbewegungen bzw. Schwingungen und Wellen eine große Rolle spielen. Das Formelzeichen ist in beiden Fällen \(\omega\), die SI-Einheit ist wie bei allgemeinen Frequenzen das Hertz, es ist \(1\,\text{Hz} = \dfrac 1 {\text s}\) (man kann auch die Einheit Radiant pro Sekunde, rad/s, benutzen, da Radiant aber eine der wenigen dimensionslosen Einheiten ist, kann man sie auch gleich ganz weglassen). Bei einer Rotation (Drehbewegung, Kreisbewegung) definiert man die Winkelgeschwindigkeit...

  • Wirbelstrom

    Ein Wirbelstrom ist ein elektrischer Strom mit geschlossenen Stromlinien. In einer leitenden rotierenden Scheibe entstehen Wirbelströme, wenn die mitrotierenden freien Elektronen durch ein äußeres Magnetfeld abgelenkt werden. Die W. wandeln Rotationsenergie in Wärme um. Auf diesem Prinzip beruht die Wirbelstrombremse. In den meisten Fällen sind Wirbelströme unerwünscht, zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten werden in der Elektrotechnik rotierende Bauteile kammartig geschlitzt. In Supraleitern treten verlustlose Wirbelströme auf, die im Prinzip unbegrenzt lange fließen können.

  • Wirkungsgrad

    Der Wirkungsgrad einer thermodynamischen Maschine \(\eta\) ist der Quotient aus der von ihr geleisteten Arbeit bzw. der abgegebenen Nutzenergie und der ihr zugeführten Energie. Der Wirkungsgrad liegt immer zwischen 0 und 1, er wird daher auch oft in Prozent angegeben. Bei realen Maschinen ist er immer kleiner als 100 %, da ein Teil der zugeführten Energie durch Reibung, Wärme- und andere Verluste verloren geht. Bei Wärmekraftmaschinen wird der thermische Wirkungsgrad \(\eta_\text{th}\) als Verhältnis von zugeführter Wärmemenge Q und geleisteter mechanischer Arbeit W definiert: \(\eta_\text{th}...

  • Wirkungslinie

    Die Wirkungslinie eine gedachte Linie in Richtung der an einem Körper angreifenden Kraft, die durch deren Angriffspunkt geht. Anders ausgedrückt ist sie die Gerade, die sich durch Verlängerung des „Vektorpfeils“ der Kraft ergibt.

  • Wurf

    Der Wurf ist die Bewegung eines Körpers durch ein Schwerefeld (üblicherweise das der Erde), die mit einer Anfangsgeschwindigkeit \(\vec v_0\) beginnt. Bei Vernachlässigung des Luftwiderstands (s. u.) überlagern sich beim Wurf zwei Bewegungen: eine gleichförmig-geradlinige Bewegung in Richtung von \(\vec v_0\) ein freier Fall, d. h. eine beschleunigte Bewegung nach unten, wobei die Beschleunigung gleich der Fallbeschleunigung \(\vec g\) ist. Je nach Richtung von \(\vec v_0\) kann man drei Fälle unterscheiden (wählt man die x-Achse in Richtung von \(\vec v_0\) und die y-Achse parallel zu \(\vec...