Formeln für Physik FB04 PDF

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Krefeld, den 30.01.2015 Prof. Dr. Rolf Schloms Prof. Dr. Mathias Brandt

Physik/Chemie Klausur: Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Mechatronik Als Hilfsmittel ist nur ein einfacher Taschenrechner erlaubt. Zur Lösung der Aufgaben 3) und 8) ist der Klausur ein Periodensystem der Elemente angefügt. Klausurdauer: 2 Zeitstunden Für die richtige Lösung einer Aufgabe erhalten Sie drei Punkte. Die Klausur gilt mit zwölf erworbenen Punkten als mit ausreichend bestanden. Aufgabe 1 (Kinematik) Ein Fahrzeug beschleunigt auf einer Strecke von 50m aus dem Stand auf eine Geschwindigkeit von 100km/h. Wie lange dauert der beschriebene Prozess? Wie groß ist die Beschleunigung des Fahrzeugs? Welche Strecke hat das Fahrzeug nach der Hälfte der Zeit zurückgelegt? Zeichnen Sie ein v–t Diagramm mit allen verwendeten Formelzeichen!

a) t= 3,6s b) a= 7,72 m/s2 c) s= 12,5m

Aufgabe 2 (zeitliche Bilanz) Ein Stahlkugel der Masse m1=90kg stößt eine ruhende Stahlkugel der Masse m2=10kg mit einer Geschwindigkeit v1=1m/s elastisch an. Wie schnell sind die Kugeln nach dem Stoß? Wie groß ist die bei dem Stoß ausgetauschte Energie? Zeichnen Sie ein v-t Diagramm des Prozesses! Hinweis: P = m v; Ekin = ½ m v2

a) v1´=0,8m/s v2´= 1,8 m/s b) Ekin1= 45J Ekin1´=28,8J Ekin2= 0J Ekin2´= 16,2J

Aufgabe 3 (stoffliche Bilanz, thermische Zustandsgleichung) Wenn Rinder Glucose C6H12O6 („Traubenzucker“) verdauen, wird dieser Stoff in Methan und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Diese Umsetzung läuft in mehreren Schritten ab, lässt sich aber summarisch durch eine normale Reaktionsgleichung beschreiben. Stellen Sie diese Reaktionsgleichung auf. Wie viele Liter Methangas (bei Standardbedingungen) entstehen dabei aus neun Kilogramm Glucose? Berechnen Sie den Massenanteil des Kohlenstoffs in Glucose (Angabe in %).

Hinweis: 𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑛 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇; 𝑅 = 8,314

𝑚𝑚𝑚𝐽 𝐾

a) C6H12O6 → 8CO2 + 10H2O b) V= 3660l c) 39,99%

Aufgabe 4 (Newtonsche Bewegungsgleichung) Eine Fähre der Masse m=10t und einer Grundfläche A=10m2 ragt unbelastet 10cm aus dem Wasser. Welche Last kann die Fähre aufnehmen, wenn Sie noch mindestens 5cm aus dem Wasser ragen soll? Schreiben Sie die Newtonsche Bewegungsgleichung für beide Fälle an! Hinweis: G = mg, FAuftrieb = ρL Vverdrängt g, g=9,81 m/s2

a) 10.500kg

Aufgabe 5 (Newtonsche Bewegungsgleichung) An einem um eine (masselos angenommene) Umlenkrolle geschlungenen Seil hängen zwei Gewichte der Massen m1=10kg und m2=20kg. Mit welcher Beschleunigung bewegen sich die Massen nach oben bzw. unten? Wie groß sind die durch das Seil vermittelten auf die Massen wirkenden Zugkräfte? Skizzieren Sie die Anordnung und die wirkenden Kräfte in einem Koordinatensystem! Schreiben Sie die Newtonsche Bewegungsgleichung für beide Massen an!

a) a= 3,27 m/s2 b) F= 130,8N

Aufgabe 6 (Thermische Zustandsgleichung) Bei einer Temperatur von 200C sitzt ein Eisenkolben spielfrei in einem Aluminiumzylinder. Bei der genannten Temperatur ist der Durchmesser des Zylinders 5cm. Wie weit muss das System erhitzt werden, damit der Kolben in dem Zylinder ein Spiel von 1/10mm hat. Hinweis:∆𝑚

𝑚=

𝛼 ∙ ∆𝑇; 𝛼𝐴𝑚 = 23,1 10−61/𝐾, 𝛼𝐹𝐹 = 11,8 10−61/𝐾

a) dT= 177 K ➔ neue Temperatur: 197°C

Aufgabe 7 (Kalorische Zustandsgleichung) Eine ideales Gases der Systemmenge 10mol wird bei einem Druck von 2bar isobar um 200C erhitzt. Der Prozess wird quasistatisch und reversibel realisiert. Wie ändert sich die Energie des Gases? Wie ändert sich das Volumen des Gases? Wie viel Arbeit verrichtet das Gas durch seine Expansion an der Umgebung? Wie viel Wärme wird dem Gas zugeführt? Hinweis:∆𝐸 = 𝑁𝑅∆𝑇, pV=NRT, R=8,314J/molK , 𝐴𝑞𝑞 = −∫𝑉𝑉+∆𝑉 𝑝 𝑑𝑉

a) dE= 4157J b) dV= 8,314l

Aufgabe 8 (Elektronenkonfiguration) Betrachten Sie die Salze Aluminiumsulfid und Kaliumfluorid. Geben Sie die chemische Formeln dieser Salze an! Geben Sie (begründet) für jedes dieser Salze an, ob es gut oder schlecht wasserlöslich ist! Geben Sie für die beiden im Salz Aluminiumsulfid enthaltenen Ionen an, welchen Edelgasatomen die Elektronenkonfigurationen der Ionen entsprechen!

a) Aluminiumsulfid: A2S3 Kaliumflorid: KF2 b) Kaliumfluorid ist gut wasserlöslich, weil es schwächere Dipole besitzt. Aluminiumfluorid ist schlecht wasserlöslich, weil es stärkere Dipole hat. c) Al-Ion →Neon (Ne) S-Ion →Argon (Ar)

Periodensystem der Elemente I

P.

VIII

Hauptgruppen:

1,01

1

1

4,00

H

grün: Metalle türkis: Halbmetalle

6,94

2

He

2

III Atommasse in u

9,01

Lithium 3

Li

Beryllium 4

Be

IV

V

VI

VII

Helium

radioaktives

(Ordnungszahl gerundet)

flüssige Elemente feste Elemente Neon 10

hellblau: Nichtmetalle

II

Wasserstoff

5

88 226,03

B

Bor 10,81

Ra

ElementElementsymbol

6 Kohlenstoff 12,01

C

schwarz:rot:blau: gasförmige Elemente

N

14,01

7 Stickstoff

O

16,00

8 Sauerstoff

19,00

9

Fluor

F

20,18

Ne (Protonenzahl)

22,99

3

11

24,31

Elementname lila: künstliche Elemente

Radium

Na 12 Mg

13

Al

Si

14

15

P

IIIA IVA VA

Natrium Magnesium

16

S

17

Cl

18

Fe

27

Co

28

Ni

29

Cu

Kalium Calcium Scandium

30

Zn

Titan Vanadium

VIA VIIA 32

Ge

Chrom Mangan

Eisen

31

Ga

33

VIIIA

As

Cobalt

IA

34

Se

Pd

47

Ag

48

Cd

49

Rubidium Strontium Yttrium

132,91 137,33

W

75

Re

Cäsium

76

In

50

Sn

Zirconium

51

Sb

Niob

52

Te

Sg

I

Br

54

5

36

Zink

IIA Aluminium

37

Os

77

Ir

78

Barium

Pt

79

Hafnium

Bh

107

Hs

108

Mt

Au

80

Tantal

Hg

81

Tl

Uuu

111

110

Rutherfordium

Dubnium

140,12

57

140,91

58

Lanthan

Pb

83

7

87

Fr

88

98

Cf

99

Es 100Fm

Lawrencium

K

Silicium Phosphor Schwefel

Ca

20

21

Sc

38

Sr

Arsen

No

102

22

Ti

23

Chlor

V

24

Argon

Cr

25

Mn

Y

39

Zr

40

Brom Krypton 85,47 87,62 88,91 91,22 92,91

Selen

41

Nb

42

Silber

Cadmium

Indium

Bi

84

Ra

Po

85

Platin

55

At

86

Gold

Quecksilber Thallium

Rf

89-103

6

Zinn

Mo

43

Tc

Cs

Antimon

Tellur

Ba

57-71

56

44

Ru

45

Rh

Iod

72

Xenon

Hf

73

Ta

74

Rn Blei

Bismut Polonium

164,93

167,26

168,93

68

69

Astat

Radon

Db

105

104

144,91

Meitnerium

Ununnilium

Unununium

150,36

151,96

157,25

Nd Pm S 60

61

62

Ununbium

158,93

162,50

Eu Gd Tb Dy Ho Er 63

64

65

66

67

Cer Praseodym Neodym Prometheum Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium

Md

101

39,95

Kr

Rb

227,03 232,04 231,04 238,03 237,05 244,06 243,06 247,07 247,07 251,08 252,08 257,10 258,10 259,10 262,11

Forschungsstand: 1.3.98

35,45

Uub

144,24

59

32,07

112

Bohrium Hassium

Seaborgium

La Ce Pr 6

82

30,97

Xe

Wolfram Rhenium Osmium Iridium

Uun

109

138,91

Bk

19

178,49 180,95 183,84 186,21 190,20 192,22 195,08 197,97 200,59 204,38 207,20 208,98 208,98 209,99 222,02

Francium Radium

97

4

Gallium Germanium

Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium

223,02 226,03 261,11 262,11 263,12 264,12 265,13 268 269 272 277 106

53

35

Nickel Kupfer

95,94 98,91 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,76 127,60 126,90 131,29

46

28,09

Ar

39,10 40,08 44,96 47,87 50,94 52,00 54,94 55,84 58,93 58,69 63,55 65,39 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80 26

26,98

7

89

Ac

90

Th

91

Pa

92

U

173,04

174,97

Tm Yb Lu Erbium

93

Np

70

71

Thulium Ytterbium Lutetium

94

Pu

95

Am

96

C

Lr

103

Actinium Thorium Protactinium

Uran

Neptunium Plutonium Americium

Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium...