Semester 5 |
Was braucht es für einen Regenbogen?
Regen. Und die Sonne. Wir überprüfen das: gib den Regen weg – kein Regenbogen. Gib die Sonne weg, und lass den Regen – kein Regenbogen. Es braucht also Sonne und Regen.
Genau genommen die Sonnenstrahlen und die Regentropfen. Die Sonnenstrahlen bestehen aus vielen verschiedenen Farben. Die Regentropfen machen diese Farben sichtbar. Wenn alle Farben durch den Regentropfen scheinen, werden sie von ihrem geradlinigen Weg abgelenkt. Sie werden gebogen. Man sagt auch “gebrochen”. Das funktioniert bei blauem Licht besser als bei rotem Licht, und gelb und grün, na ja, so in der Mitte. Was also aus dem Regentropfen herauskommt ist das aufgefächerte Licht. Ein Zuschauer in der Nähe – Du – kannst es sehen. Und zwar nur jenes Licht, jener Regentropfen, die in einem bestimmten Winkel zur Sonne stehen. Und alle diese Tropfen unter diesem Winkel befinden sich auf einem Bogen. Voila. So entsteht ein Regenbogen.
Regenbogenfarben aber, die gibt es auch ohne Bogen:
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Worum geht es?
Unordnung wird physikalisch mit Entropie bezeichnet. Es ist ein Trend in der Natur, dass die Entropie in einem System immer größer wird. Das erleben wir auch daheim: alle Dinge in unserem Zimmer werden sich gleichmäßig “unordentlich” verteilen. Ein zweiter Trend der Natur ist ihr Wunsch nach geringster Energie: die Unordnung wird am Fußboden entstehen.
Achtung: Entropie als Unordnung zu bezeichnen, ist stark vereinfacht. Besser wäre vielleicht “maximale Verteilung”. Beim Studium von Chemie und Physik lernen Sie genauere Definitionen im Bereich der Thermodynamik kennen. Wir werden hier trotzdem mit der “Unordnung” arbeiten, und vielleicht besser mit Entropie als “Informationsverlust”.
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Wissenschaft ist in der Lage Glauben von Wissen zu trennen. Es ist dabei gar nicht die Frage, was besser ist, denn beides hat seine Berechtigung. Wichtig ist, dass man weiß, wo die Grenze ist. Der Philosoph René Descartes hat im 17. Jahrhundert diese Grenze formuliert.
Vier Kriterien, macht die Wissenschaft zur “Marke”, so wie Bio-Essen und geprüfte Betriebsabläufe die Ja natürlich von Billa definieren, oder das Selbstzusammenschrauben die Marke Do-it-yourself.
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Die meisten Tiere mit Fell schütteln sich einmal kräftig durch, nachdem sie eine Runde geschwommen sind. Das ist keine nette Angewohnheit sondern eine Frage des Überlebens. Warum müssen sich Hunde schütteln, nachdem sie nass geworden sind?
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Jeder kennt die Situation: Man hat keine Zeit zu kochen, also die Spagetti-Reste vom Vortag schnell in die Mikrowelle geschoben und schon kann’s ans Essen gehen. Aber kann es sein, das das Essen aus der Mikrowelle rascher abkühlt, als herkömmlich erwärmtes Essen?
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Im Winter eine oft gehörte Aufforderung: “Schnell, mach’ das Fenster zu, es kommt kalt herein”. Wenn aber Kälte die Abwesenheit von Wärme ist, wie kann das “Nichts” hereinkommen? Die genaue Betrachtung dieser Frage bringt einen schnell auf die Kernbegriffe der Wärmelehre – oder darf man auch sagen, die Kälteabwesenheitslehre?
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Wer die Frage zum ersten Mal hört, geht nach seinem Bauchgefühl und würde sie so beantworten:”Natürlich schmilzt das Eis in Wolle schneller.” Aber warum glauben wir das? Für gewöhnlich hält uns Wolle warm. Warum sollte es also beim Eis anders sein?
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Das Grundprinzip der Erdwärmeheizung ist das eines Kühlschrankes – einer Wärmepumpe. Der Kühlschrank entzieht dem zu kühlenden Raum Wärme und gibt sie nach außen ab.
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Der Heizkörper erzeugt warme Luft, die sich durch Konvektion im Raum verteilt: durch Luftbewegungen wird sie im Zimmer verteilt. Nur wenn der Heizkörper im kälteren Teil des Zimmers am Fenster steht, können diese Luftbewegungen gut entstehen: durch das Aufsteigen von heißer Luft in kalter Luft.
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Wasser verdunstet bei jeder Temperatur, auf jeder Höhe. Es entsteht Wasserdampf. Ab einer bestimmten Temperatur, auf einer bestimmten Höhe ist der Luftdruck der Umgebung gleich dem Luftdruck in den Dampfbläschen in der Flüssigkeit. Es blubbert. Man sagt, das Wasser siedet. Je geringer der Luftdruck ist, desto niedriger ist die Siedetemperatur. Auf der Spitze des Mt. Everest ist der Luftdruck so gering, dass das Wasser bereits bei 70 Grad Celsius siedet.
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Wenn dem nicht so wäre, dann hätte sich die Welt wohl ganz und gar anders entwickelt. Die Möglichkeit mit einem gedrehten Holzstab und Zunder selbstständig Feuer zu machen war einer der Schlüsselpunkte in der menschlichen Entwicklung. Reibung macht warm, weil Arbeit in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das sagt der zweite Hauptsatz der Wärmelehre: “Die innere Energie eines Körpers kann nur durch Zufuhr von Arbeit und durch Zufuhr von Wärme erhöht werden.”
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Die Hauptsätze der Wärmelehre beschäftigen sich einerseits mit einem Temperaturphänomen: der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden. Andererseits beschäftigen sie sich mit einem bekannten Übertragungsphänomen: Wärme fließt von selbst nur von einem heißen zu einem kalten Körper.
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Der Kühlschrank transportiert Wärme aus sich heraus in die Küche. Er ist eine Maschine, die Wärme von einem kalten Reservoir (Kühlraum) in ein warmes Reservoir (Küche) fließen lässt. Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre würde den umgekehrten Weg vorschreiben: von heiß nach kalt – von Küche nach Kühlschrank.
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![Jean-Honoré Fragonard [Public domain], via Wikimedia Commons](https://www.phyx.at/wp-content/uploads/2011/05/468px-Fragonard_The_Swing-234x300.jpg)
Jean-Honoré Fragonard [Public domain], via Wikimedia Commons
Schaukeln können Sie, wie Sie wollen. Es ist immer richtig. Die Frage ist also anders zu verstehen. Fragen wir: Wie schaukelt man am bequemsten? Die Schaukel kommt wie jede Schwingung von selbst irgendwann durch Reibung zum Stillstand. Man muss sie also antreiben.
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Wellen können um Hindernisse herumlaufen, wenn die Wellenlänge im Größenbereich des Hindernisses ist. Wir sprechen von Beugung. Beugung findet etwa statt, wenn Schall mit einer typischen Wellenlänge von einem Meter durch eine Tür geht, die ebenfalls etwa diese Größe hat. Wir können um die Ecke hören. Beugung findet nicht statt, wenn Licht mit einer sehr kleinen Wellenlänge im Nanometer-Bereich durch die Tür geht. Wir können um die Ecke nicht sehen.
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