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Haushalts & Verfahrenstechnik (Subject) / Theorie + häüfige Klausurfragen (Lesson)
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- Leiten Sie die mechanische Einheit Nm aus den Basiseinheiten ab und erläutern Sie die Beziehung zu den Einheiten kWh und J: Nennen Sie für jede Einheit ein Beispiel für Anwendungen, wo diese Einheit jeweils gebräuchlich ist. Nm= kg . m = kg . m2 = J s2 s2 J= Ws = kg . m2 . s = kg m2 s3 s2 kWh = 103 . kg . m2 . 3600s = 3 600 000 kg . m2 = 36 . 105 J = 3600 kJ s3 s2
- Haftmechanismen: (mit stofflicher Verbindung) Beschreiben Sie die verschiedenen Arten von Feststoffbrücken. Nennen Sie jeweils ein typisches Beispiel. Festkörperbrücken 1. Sinterung- Bildung von Sinterbrücken an den Kontaktstellen (Schmelzbrücken) -Bsp: beim Verpressen durch lokale Energiekonzentrationen 2. Schmelzhaftung- beim Schmelzen: Entstehung von Flüssigkeitsbrücken- Erstarrung beim Abkühlen der Schmelze 3. Chemische Reaktionen- Reaktion zwischen• Bindemittel und Zusatzstoff• Bindemittel und Partikeln⇒ Feste Brücken zw. Partikeln 4. Erhärtende Bindemittel- Einsatz als Lösung oder Suspension -Bsp: Granulate 5. Bindung durch Kristallisation gelöster Stoffe - spielt bei Trocknungsvorgängen eine Rolle:i.d.Regel gilt: - geringe Trocknungsgeschwindigkeit = große Kristalle =geringe Agglomeratsfestigkeit- hohe Trocknungsgeschwindigkeit = kleine Kristalle = hoheAgglomeratsfestigkeit - Bsp: bei der Trocknung von feuchten Schüttgütern
- Def. Radialbeschleunigung Die Radialbeschleunigung einer gleichförmigen Kreisbewegung ist dem Größenwert nach konstant. Der Vektor der Radialbeschleunigung ist stets zum Mittelpunkt der Kreisbahn gerichtet. Sie beschreibt die zeitliche Änderung der Geschwindigkeitsrichtung bei einer gleichförmigen Kreisbewegung
- Newtonsche Axiomensystem 1. Axiom: Das Trägheitsprinzip2. Axiom: Das Grundgesetz der Mechanik3. Axiom: Das Wechselwirkungsprinzip
- 1. Axiom: Das Trägheitsprinzip Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder behält seine Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung solange bei, wie er nicht durch äußere Kräfte gezwungen wird, seinen Bewegungszustand zu ändern. Die Masse ist das Maß für die Trägheit eines Körpers gegenüber einer Bewegungsänderung. Je größer die Masse, desto größer der Bewegungswiderstand, desto größer die Trägheit. Die Masse m eines Körpers kann aus dessen Volumen V und Dichte ρ des Materials bestimmt werden.
- 2. Axiom: Das Grundgesetz der Dynamik i. Formen von Kräften: Um einer Masse m die Beschleunigung a zu erteilen, ist eine Kraft. F = m.a i.Gewichtskraft - Fliehkraft - Federkraft - elektr. und magn. Kräfte - atomare Kräfte
- 3. Axiom: Das Wechselwirkungsgesetz a) Erläutern und benennen Sie beispielhaft die drei Reibungsarten. b) Geben Sie die Formel an, auf der alle Reibungsarten basieren. Nennen Sie die Kennzahlen hierzu und in welchem Werte-Bereich diese vorkommen. a) Reibungsarten Haftreibung: wenn ein Körper auf einem anderen haftet. Dabei liegen zwei Körper aufeinander, ohne dass diese sich zueinander bewegen ( v = 0 ). Gleitreibung: wenn zwei Körper aufeinander gleiten. Ein Bsp: Ziehen wir an dem Klotz so stark, dass er sich bewegt, liegt anschließend ein gleiten der beiden Körper vor. Die Geschwindigkeit ist somit ungleich Null. Rollreibung: wenn ein Gegenstand auf einem anderen rollt. Beispiel: Wenn wir eine Kiste auf Rollen legen und die Kiste stark genug anschieben, beginnt diese zu rollen. b) FReibung = μReibung * FN μReibung : ist der Reibungskoeffizient, der jeweilsabhängt von der Reibungsart FN : st die Normalkraft, die im Falle einer waagerechten Ebene gleich der Gewichtskraft ist.
- Grundlage für die Hebelgesetze: Def. Das Drehmoment Ist das Produkt aus der Kraft F und dem senkrechten Abstand (entspricht bei einer Rotationsbewegung dem Radius r) ihrer Wirkungslänge von der Drehachse.
- Arbeitsarten • Hubarbeit• Beschleunigungsarbeit• Reibungsarbeit• Spannarbeit
- Hubarbeit Hebt man einen Körper, mit einer Masse m, auf eine Höhe h, so verrichtet man „Hubarbeit“.
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- Spannarbeit Um einer zunächst entspannte Feder mit der Federhärte D um die Strecke s zu verlängern, muss man eine Spannarbeit aufwenden
- Energieformen Potentielle Energie oder auch „Lageenergie“ Kinetische Energie:Wird benötigt zur Verrichtung von Beschleunigungsarbeit, um Trägheitskräfte überwinden zu können. Spannenergie Reibungsenergie: Die Reibungsenergie entsteht durch die Reibungsarbeit. Sie äußert sich in Wärme und kann nicht genutzt werden. Z.B. Erhitzte Reifen eines fahrenden Autos
- Wirkungsgrad Jede Maschine kann von angebotener Energie nur einen gewissen Anteil zur Arbeitsverrichtung nutzen „Energieverluste“ treten z.B. in Form von Wärmeabgabe auf Deshalb ist der Wirkungsgrad stets kleiner 1, da es eine „perfekte Maschine“ nicht gibt
- Definiere a) feste b) flüssige c) gasförmige Stoffe a) feste Stoffebestimmtes Volumen und bestimmte Gestalt, die einer Veränderung große Kräfte entgegensetzt b) flüssige StoffeWiderstand gegen eine Volumenänderung groß, aber gegen Gestaltveränderung praktisch Null. Passen sich der Form des Gefäßes an. c) gasförmige Stoffekein bestimmtes Volumen und keine bestimmte Gestalt, sondern füllt jeden Raum beliebiger Gestallt vollkommen aus
- Def. Dichtebestimmung Man taucht einen Körper vollständig in ein mit Wasser gefülltes Gefäß.Das Volumen V2 des verdrängten Wassers entspricht dem Volumen des Körpers V1. V1=V2
- Elastizitätsmodule von Werkstoffen: Beschreiben Sie zugfestigkeit, poröse, spröde und plastische Stoffe. Nennen Sie jeweils 2 typische Beispiele. Elastizitätsmodule von Werkstoffen: Zugfestigkeit: höchste Zugspannung, die ein Festkörper aushält, ohne zu brechen. Die Zugfestigkeit ist das absolute Maximum im Spannungs-Dehnungs-Diagramm.. poröse: wenn sein Körperraum nicht vollständig von Molekülen erfüllt ist. Poröse Körper besitzen zahlreiche mit Luft gefüllte Hohlräume. Daher sind sie gute Wärmeisolatoren und besitzen gute Saugfähigkeit. Bsp: Filter, Sandstein, Kalkstein spröde:Körper, wenn er schon bei geringer Überschreitung der Elastizitätsgrenze zerreißt. Bsp: Glas, Marmor, ... plastische: Körper, wenn seine Verformung nach Entlastung nicht mehr in seine Ausgangslage zurückkehrt. Bsp: Wachs, Blei,...
- Feste Stoffe: Strukturmerkmale 1. Atomordnung- kristallin oder amorph 2. Verteilung der physikalischen Eigenschaften- homogen oder heterogen (inhomogen) 3. Richtungsunabhängigkeit des physikalischen Verhaltens- anisotrop oder isotrop:
- 1.Atomordnung: Eigenschaften Kristalline Feststoffe hohe Symmetrie : Die Atome sind über größeren Raumbereich periodisch angeordnet (Fernordnung) Kristalle sind aus Atomen, Ionen oder Molekülen aufgebaut Art der bindenden Kräfte bestimmt den Typ des Kristalls überwiegend anisotrop (physikalisches Verhalten ist richtungsabhängig) viele Feststoffe bestehen aus Kristallen, andere z.B. verhalten sich wie unendlich langsam fließende Flüssigkeiten (wie Glas oder Teer)
- 1.Atomordnung eigenschaften Ionenkristalle elektrostatische Wechselwirkung zwischen Anion und Kation: - starke Anziehung: hoher Schmelzpunkt, harte Kristalle mechanische Deformation führt zum Zerbrechen des Kristalls elektrische Leitfähigkeit: – im Festkörper: schlecht/nicht vorhanden => Ionen sind auf Gitterplätzen fixiert – in Lösung, Schmelze: gut => Ionen sind beweglichBeispiele: Natriumchlorid (Speisesalz), Kaliumnitrat
- 1.Atomordnung Eigenschaften Molekülkristalle • Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, H-Brücken => schwächer als ionische elektrostatische Kräfte • weich, relativ niedriger Schmelzpunkt (< 300°C) =>bei polaren Molekülen höher als bei unpolaren • elektrische Leitfähigkeit nicht/kaum vorhanden Beispiele: Eis, Ammoniak
- 1.Atomordnung Eigenschaften metallische Kristalle • Packung von Kationen mit frei beweglichen Elektronen (Elektronengas) • sehr gute elektrische Leitfähigkeit • duktil (verformbar) Beispiel: alle Metalle
- 1.Atomordnung Eigenschaften 3-D-Vernetzung(Gerüststrukturen) • Netzwerk von kovalenten Bindungen • Kristall besteht aus einem einzigen Riesenmolekül • hohe Schmelzpunkte, sehr hart • elektrische Leitfähigkeit: nicht/kaum vorhanden Bsp.: Diamant, Quarz
- 1.Atomordnung Eigenschaften 2-D-Vernetzung (Schichtenstrukturen) 1-D-Vernetzung (Kettenstruktur) 2-D-Vernetzung (Schichtenstrukturen)• neutrale Schichten• Riesenmolekül• zwischen Schichten nur van-der-Waals-KräfteBsp.: Grafit, Schmiermittel 1-D-Vernetzung (Kettenstruktur)
- 1.Atomordnung Eigenschaften Amorphe Festkörper • regellose statistische Verteilung der Atome und Moleküle (nur Nahordnung, keine Fernordnung) =>Atomanordnung ähnelt Schmelzzuständen • amorphe Festkörper erweichen bei Temperaturanstieg allmählich und gehen erst in den zäh-, dann in den dünnflüssigen Zustand über. (Vgl.: Kristalle besitzen definierten Schmelzpunkt) • => Sie werden daher oft als Flüssigkeiten mit extrem hoher Zähigkeit(unterkühlte Flüssigkeiten) aufgefasst • isotrop: physikalisches Verhalten ist richtungsunabhängig im Vergleich zu Kristallen schwächere Bindungskräfte=> amorphe Stoffe sind leichter verformbar Beispiele: Glas, Teer, Siegellack, Gummi, Leim
- 1.Atomordnung Vergleichen Sie kristalline und amorphe Feststoffe Kristallin: symmetrische Anordnung der Atome über größeren Raumbereich (Fernordnung) anisotrop Kristalle besitzen definierten Schmelzpunkt einige zeigen piezoelektrischen Effekt Beispiele: Diamant, Quarz amorphe: regellose Verteilung der Atome und Moleküle (Nahordnung) isotrop erweichen bei Temperaturanstieg allmählich Beispiele: Glas, Gummi, Leim
- 3. Richtungsunabhängigkeit des physikalischen Verhaltens Anisotropie / Isotropie • Kristalle verhalten sich infolge ihres regelmäßigen Aufbaus anisotrop.Man versteht unter Anisotropie die Richtungsabhängigkeit von physikalischen Eigenschaften wie Lichtbrechung, Härte, Spaltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitung • Amorphe Feststoffe, außerdem auch Flüssigkeiten und Gase, verhalten sich entsprechend isotrop
- 3. Richtungsunabhängigkeit des physikalischen Verhaltens Anisotropie / Isotropie • Kristalle verhalten sich infolge ihres regelmäßigen Aufbaus anisotrop.Man versteht unter Anisotropie die Richtungsabhängigkeit von physikalischen Eigenschaften wie Lichtbrechung, Härte, Spaltbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitung • Amorphe Feststoffe, außerdem auch Flüssigkeiten und Gase, verhalten sich entsprechend isotrop
- 2. Verteilung der physikalischen Eigenschaften Def. Homogenität Heterogenität = Gleichheitsgrad von Eigenschaften homogene Stoffe: an allen Stellen die gleichen physikalischen Eigenschaften (Dichte, Härte, Elastizität, Farbe usw.) heterogene Stoffe: Gegenteil von homogen
- Sind Flüssigkeiten kompressibel? und Gase? nein, Flüssigkeiten sind nahezu inkompressibel ja, Gase sind kompressibel.
- Statischer Druck in Flüssigkeiten: • In ruhenden......... und ........ herrscht ein .......druck. • Dieser ergibt sich aus: Flüssigkeiten und Gasen herrscht ein Gesamtdruck. pg = pK + ps Kolbendruck: Der Kolbendruck ist an jeder Stelle der Flüssigkeit gleich pK= F A Er wirkt somit auch auf jede Fläche eines Körpers, der sich im Medium befindet, gleich. Schweredruck: In gleicher Tiefe ist überall der gleiche Schweredruck. Mit wachsender Tiefe nimmt der Schweredruck in Flüssigkeiten zu. ps = ρgh
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- Was besagt das Hydrostatische Pradoxon? Hydrostatisches Paradoxon: Der Schweredruck ist nur von der Höhe der Flüssigkeitssäule abhängig, nicht jedoch von der Fläche.
- Anwendung der Kompressibilität 1. Hydraulik: 2. Pneumatik: Hydraulik:Die geringe Kompressibilität von Flüssigkeiten wird in der Technik zur räumlichen Kraftübertragung ausgenutzt Pneumatik:Die Kompressibilität von Gasen wird in der Technik in Form von Pressluft in Maschinenanlagen als Energieträger für Arbeitsprozesse und Steuerungen genutzt.
- Druckübertragung Beispiel: Hydraulische Presse Man hat zwei Kolben mit unterschiedlichen Querschnittsflächen A1 und A2. Drückt man den Kolben 1 mit einer Kraft F1 um die Strecke s1 nach unten, wird der Kolben 2 um die Strecke s2 nach oben verschoben da das Volumen gleich bleibt.
- Archimedisches Prinzip Die Auftriebskraft auf einen Körper in einer Flüssigkeit ist dem Betrag nach gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Die Auftriebskraft ist der Gewichtskraft des Körpers entgegen gerichtet. FA = ρF . g . V
- Innere Reibung von Flüssigkeiten: Ideale Flüssigkeiten: Reale Flüssigkeiten: 1. Ideale Flüssigkeiten:Flüssigkeiten, in denen die Innere Reibung vernachlässigt werden kann 2. Reale Flüssigkeiten:nicht zu vernachlässigende zwischenmolekulare Wechselwirkungen bestehen(z.B. Reibung)
- Laminar Strömung und turbulente Strömung erläutern und Kennzahl nennen Laminare Strömung keine Durchmischung einzelne Fluidschichten gleiten parallel aneinander vorbei Beispiele: langsame Luftströmungen, Blutkreislauf, Umströmung stromlinien-förmiger Körper Turbulente Strömung starke Durchmischung und Wirbelbildung ungerichtete Bewegung überlagert die Strömung Beispiele: Strömungen in engen Wasserrohren und hinter Brückenpfeilern Rec = 2320Re < Rec --> laminare StrömungRe > Rec --> turbulente Strömung
- Haftkräfte Welche Haftmechanismen gibt es und wie lassen sie sich unterteilen? Ohne stoffliche Verbindung: Anziehungskräfte & Formschlüssige Bindung Mit stofflicher Verbindung: Festkörperbrücken & Flüssigkeitsbrücken
- Haftmechanismen: Ohne stoffliche Verbindungen: Nennen Sie die Anziehungskräfte zwischen trockenen Feststoffpartikeln! 1. Molekularkräfte a) Van-der-Waals-Kräfte b) Dipol-Kräfte c) Wasserstoffbrückenbindungen 2. Elektrostatische Kräfte 3. Ionische Bindung 4. Formschlüssige Bindung
- Nennen und beschreiben Sie die Anziehungskräfte zwischen (trockenen) Feststoffpartikeln 1. Molekularkräftea) Van-der-Waals-Kräfte: - Anziehungskräfte, die zwischen nicht verbundenen Atomen oder Molekülen wirken. - schwächste zwischenmolekulare Kräfte - geringe Reichweite - sie sind um so größer, je größer die Teilchenoberfläche ist. b) Dipol-Kräfte: sind Anziehungskräfte zwischen polaren Molekülen (permanenten Dipolen). • Sie sind um so größer, je polarer die Moleküle gebaut sind. c) Wasserstoffbrückenbindungen: In Wasser, wässrigen Lösungen und bei anderen Dipolen mit einer polaren Bindung, die ein H-Atom beinhalte 2. Elektrostatische Kräfte: entstehen, wenn sich positive und negative freie Ladungen gegenüber liegen haben relativ große Reichweite sind wenig abstandsabhängig durch Reibung und Stoß können elektrische Ladungen entstehen, die i.d.R. zu unerwünschten Agglomeratbildungen führen. 3. Ionische Bindung: Es handelt sich hierbei um elektrostatische Kräfte, die zwischen Ionen mit entgegen gesetzten Ladungen (Kationen und Anionen, ionisierte Basen und dissoziierte Säuren) auftreten. 4. Formschlüssige Bindung: Verhaken oder Verfilzen von faserigen oder plättchenförmigen Partikeln ohne Bindemittel. Beispiel: Torf – durch Verpressung bildet die faserigeStruktur formschlüssige Verbindungen.
- Haftmechanismen: Mit stofflicher Verbindung: Nennen und beschreiben Sie die Flüssigkeitsbrücken! Nennen Sie jeweils ein typisches Beispiel! 1. Bindungen durch frei bewegliche Flüssigkeiten Flüssigkeit muss eine freibewegliche Oberfläche besitzen und in sich frei beweglich sein. Typisches Beispiel: Wasser 2. Bindungen durch nicht frei bewegliche Flüssigkeiten zähflüssige Bindemittel: durch Nutzung der Kohäsionskräfte (hohe Viskosität) der Flüssigkeit fester. Bindung durch Adsorptionsschichten: Dünne Adsorptionsschichten aus Wasser mit einer Dicke von weniger als 3 nm übertragen die molekularen Anziehungskräfte von Korn zu Korn. Wasserschichten müssen sich berühren und durchdringen.
- Kohäsion / Adhäsion • Kohäsionskraft: • Adhäsionskraft: • Kohäsionskraft:Wechselwirkung zwischen zwei gleichen Stoffen („Zusammenhaltskraft“) • Adhäsionskraft:Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Stoffen („Haftkraft“)
- Auswirkungen der Oberflächenspannung: Die Oberflächenspannung wirkt sich aus: in Flüssigkeitslamellen (z.B. Seifenblasen) an einer Flüssigkeitsoberfläche (Steighöhen in Kapillaren oder beim Wasserläufer) bei der Tropfenbildung (σ beeinflusst die Tropfengröße)
- Was ist die Kapillarität? • Grenzt eine Flüssigkeit an einen festen Körper, entsteht ein Randwinkel zwischen fester Wand und Flüssigkeit. • Die Kapillarität wird an Flüssigkeiten in engen Röhren beobachtet. • Ursache ist die Oberflächenspannung.
- Siebanalyse • Durchgangs- oder RückstandsummenverteilungBeispiel: Siebanalyse Von fein- zu grobmaschigem Sieb Messung des Rückstandes im Sieb oder der durchgegangenen Partikel
- Nennen Sie Arten der Wärmeübertragung auch Vorgänge und die Stoffkenngröße Leitung : von Molekül zu Molekül, Wärmeleitfähigkeit λ Konvektion: Massenstrom, freie Konvektion (Dichteunterschiede) erzwungene K. (maschinell erzeugt) spez. Wärmekapaz. c, Wärmeübergang α (Infrarot)- Strahlung: elektro-magnet. Wellen, zwischen Oberflächen, keine Materie erforderlichEmissions-/ Absorbtionskoeffiz. Mikrowelle Induktion
- Nennen Sie die Wärme-transport-vorgänge! Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmeübergang Wärmeisolierung Elektromagnetische Strahlung: Wärmestrahlung Mikrowelle Induktion
- Wärmetransportvorgang: 1. Wärmeleitung Wird bei einem Wärmetransport die Wärme innerhalb eines Stoffes von Teilchen zu Teilchen fortgeleitet, ohne dass die Teilchen selbst transportiert werden, so spricht man von Wärmeleitung.
- Wärmetransportvorgang 2. Def. und Ursachen der Wärmeströmung (Konvektion) i. Natürliche Konvektion ii. Erzwungene Konvektion Wärme die in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen mitgeführt wird. Ursache der Wärmeströmung sind Dichteänderungen (Auftrieb), bzw. Temperaturdifferenzen. Natürliche Konvektion: Die Wärmeströmung hat als Ursache die Dichte, bzw.Temperaturdifferenzen in Flüssigkeiten oder Gasen Erzwungene Konvektion: Strömungen werden durch äußere Einflüsse erzeugt, z.B.Ventilatoren,...
- Wärmetransportvorgang 3. Wärmeübergang Als Wärmeübergang bezeichnet man den Wärmeaustausch zwischen einem Festkörper undeinem strömendem Medium
- Wärmetransportvorgang 4. Wärmedurchgang Unter einem Wärmedurchgang versteht man den Wärmeaustausch zwischen einem festenKörper und zwei strömenden Medien. Der Vorgang setzt sich im stationären Zustandzusammen aus: Wärmeübergang Wärmeleitung Wärmeübergang