Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft

1. Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft • N2: 78,09% (Stickstoff) (N2: 28u) • O2: 17% (Sauerstoff)(O2: 32u) • Ar: 0,93% (Argon) (AR: 40u) • CO2: 4% (Kohlendioxid) (CO2: 44u) • Atommasse (u): 1,6606 * 10-27 Kg • (Beispielrechnung siehe Tafel) • → 1 Liter Luft (ca. 250 * 1020 Teilchen) hat eine Masse von ca.: 1,2 g • → Im Luftballon wurde nicht das Gewicht der Luft im Ballon gemessen.

2. Zusammensetzung der Luft • Stickstoff: 78.9% (N2: ca: 14 u) • Sauerstoff: 21% (O2: 15,99 u) • Kohlendioxid: 0.03% (CO2: 44u) • (Edelgase:~0,1%) • Die ungefähre Massendifferenz zwischen ein- bzw. ausgeatmeter Luft in einem halben Liter: 4*1.28*1020*1,6606*10-27*12 (Kohlenstoff u :12)≈ 0,01g • Welche Wirkung hat der im Vergleich zum Luftdruck höhere Druck im Luftballon?

3. Wirkung des höheren Luftdrucks im Luftballon • Druckunterschied zwischen Luftdruck und Druck der Umgebungsluft: rund 2480 Pa • pV = NkT • → N = PV/kT = (2480 Pa*0,5L)/(1.38*10-23J/K * 294K) = 3.02*1020 • Welche Masse haben 3.02*1020 Luftmoleküle? • Im Durchschnitt wiegen die Moleküle 15,54u. • → 3.02*1020 Luftmoleküle haben eine Masse von 0,0000075 kg = 0,0075g • →Sowohl andere Zusammensetzung der Luft als auch höherer Druck führen zu einer leichten Massenzunahme der Luft im Luftballon.

4. Druck in Flüssigkeiten Pascalsches Prinzip: • Der Druck breitet sich im Fluiden nach allen Seiten gleich aus. Er kennt keine Richtung, er ist isotrop. (Luftballon-Versuch)

5. Beispiele für Pascalsches Prinzip • Ball • Fahrradreifen • Taucher unter Wasser (Ohren schmerzen, egal wie der Kopf gehalten wird)

6. Luftdruck lastet nicht nur auf unserem Kopf, sondern auf jedem Quadratzentimeter unseres Körpers • Körperoberfläche: 15 000 cm² • → Auf dem Körper lastet eine Gewichtskraft die einer Masse von 15 000 Kg (15 Tonnen) entspricht. Warum erdrückt uns die Luft nicht?

7. Warum nimmt die Temperatur in der Stratosphäre wieder zu? Wolken enden bei der Stratosphäre, da in ihr die Temperatur wieder steigt.

8. Absorption von UV-Strahlung in der Stratosphäre heizt diese auf.

9. Warum kühlt sich die Luft in der Troposphäre im Mittel ab?

10. Exponentieller Verlauf der Druckkurve (Dichte analog)

11. Warum kühlt sich die Luft in der Troposphäre im Mittel ab? • Warum nimmt die Dichte ab? • Warum nimmt der Druck ab? • Allgemeine Gasgleichung: pV = NkT • Diese Gleichung beschreibt ein ideales Gas. • Was charakterisiert ein ideales Gas? • 1. keine Anziehungskräfte zwischen Gasteilchen (Wechselwirkung nur über elastische Stöße) • 2. Teilchen stellen nur Massenpunkt da (keine Ausdehnung der Teichen)

12. Freie Expansion eines Gases • Was passiert, wenn man das Ventil öffnet? • 1. Das Gas verteilt sich gleichmäßig auf das gesamte Volumen • 2. Der Druck des Gases nimmt ab. • 3. Ideales Gas: Keine Temperaturänderung • 4. Kein ideales Gas, z.B. Luft: Temperatur sinkt, da Arbeit gegen molekulare Anziegungskräfte nötig ist. Die dafür notwendige Energie wird aus der kinetischen Energie der Moleküle gewonnen. (Joule-Thomson-Effekt) (Potentielle Energie erhöht sich zugunsten kinetischer Energie)

13. Warum kühlt sich die Luft in der Troposphäre im Mittel ab? • Der Druck nimmt in der Tropospähre exponentiell ab. • Aus diesem Grund dehnt sich aufsteigende Luft aus. • Hierfür müssen molekulare Anziehungskräfte überwunden werden. • Die dafür notwendige Energie wird der kinetischen Energie Luftmoleküle entzogen. (Energieerhalt)

14. Gesetz von Boyle-Mariotte • PV = NkT, • Wenn N und T konstant • → pV = konstant

15. Was bedeutet adiabatisch? • Ein Prozess, bei dem das System mit der Umgebung keine Wärme austauscht, nennt man adiabatisch. • Die Energie für Volumenarbeit wird aus der inneren Energie des Systems gezogen: ΔU = ΔW, ΔQ = 0 (ΔU: Änderung der innere Energie; ΔW: p*ΔV; ΔQ: Änderung der Wärmemenge)

17. Wie entsteht ein Ozonloch? • Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW wird als Kältemittel in Kühlschränken, in Spraydosen als Treibgas und zum Aufschäumen von Schaumstoffen verwendet. • FCKW spaltet sich in der Stratosphäre durch Absorption von UV-Strahlung. • Dabei entstehen Chloratome (Cl). • In den Polarnächten reichern sich bei Temperaturen unter – 87°C Chlormoleküle (Cl2) über dem Südpol an. • Das Cl2 stammt zum Teil aus Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKW). • UV-Licht zerlegt die Chlormoleküle in der Stratosphäre in Einzelatome • Ein einziges Chloratom kann zehntausende Ozonmoleküle in Sauerstoffatome umwandeln, bevor es zufällig in eine andere chemische Bindung gebunden wird. • Das Ozonloch füllt sich teilweise mit Ozon aus bewohnten Gebieten auf. • Bei Temperaturen unter – 87°C entsteht in manchen Jahren auch über der Arktis ein Ozonloch.)

18. Wohin fällt der Stein? • Der Osten „sieht“ die Sonne zuerst, also dreht sich die Erde „gegen den Uhrzeigersinn“. • Auf der Erde ist die Winkelgeschwindigkeit immer gleich, die Bahngeschwindigkeit eines Objektes hängt jedoch davon ab, wie weit es von der Drehachse entfernt ist. • Der Stein auf der Brücke hat eine größere Bahngeschwindigkeit als ein Beobachter auf dem Boden. • Da der Stein während des Fallens seine Bahngeschwindigkeit beibehält, kommt er nicht direkt unter seinem Ausgangspunkt auf dem Boden an, sondern weiter im Osten.

19. Ablenkung von Winden • In welche Richtung werden warme Luftmassen abgelenkt, die vom Äquator nach Norden strömen? • In welche Richtung werden kalte Luftmassen abgelenkt, die aus Richtung Norden zum Äquator strömen? • Was simulierte der Versuch von vorletzter Stunde? (Papier dreht sich unter dem Stift gegen den Uhrzeigersinn)