Hydraulik 1 - Eigenschaften des Wassers und Grundlagen der Hydrostatik

Vokabel-Lernkarten zu den physikalischen Eigenschaften des Wassers und den Grundlagen der Hydrostatik aus den Vorlesungen Hydraulik 1.

Technische Hydraulik

Teilgebiet des Bauingenieurwesens, das sich hauptsächlich mit Wasser im flüssigen Zustand befasst.

Arten von Fluiden

Klassifizierung von Fluiden nach Zusammendrückbarkeit (Gase sind kompressibel, Flüssigkeiten inkompressibel), Reibungsverhalten (ideal vs. real) und Scherverhalten (newtonisch vs. nonnewtonisch).

Schmelzwärme (Wasser)

Die beim Phasenübergang von fest zu flüssig benötigte Wärmeenergie; beträgt bei Normaldruck und einem Schmelzpunkt von $0\,^\circ\text{C}$ genau $33.3 \times 10^4\,\text{J/kg}$.

Verdampfungswärme (Wasser)

Die beim Phasenübergang von flüssig zu gasförmig benötigte Wärmeenergie; beträgt bei Normaldruck und einem Siedepunkt von $100\,^\circ\text{C}$ genau $22.6 \times 10^5\,\text{J/kg}$.

Spezifische Wärmekapazität (Wasser)

Die benötigte Energie zur Erwärmung von flüssigem Wasser; beträgt 4182\,\text{J/(kg\,\cdot\,^\circ C)}.

Dampfdruck

Absoluter Druck, bei dem Wasser bei einer gegebenen Temperatur in die gasförmige Phase übergeht (z. B. $1013,25\,\text{hPa}$ bei $100\,^\circ\text{C}$ und $23,4\,\text{hPa}$ bei $20\,^\circ\text{C}$).

Kavitation

Phänomen, bei dem der absolute Druck in einer Strömung auf den Dampfdruck sinkt, sodass Wasser verdampft, sich Hohlräume bilden und die Strömung abreisst (theoretisch bei $\sim -10\,\text{mWS}$, praktisch bei $\sim -7\,\text{mWS}$).

Anomalie des Wassers

Physikalische Eigenschaft von Wasser, bei einer Temperatur von $4\,^\circ\text{C}$ seine grösste Dichte aufzuweisen.

Relative Raumausdehnung ($\beta$)

Kenngrösse für die temperaturabhängige Volumenänderung, definiert als $\beta = \frac{\rho_0}{\rho} - 1$, mit einem sprunghaften Anstieg von ca. $9\%$ bei Eisbildung.

Elastizitätsmodul ($E_W$)

Auch Kompressionsmodul genannt; Kenngrösse für die Volumenelastizität von Wasser mit einem Mittelwert von $E_W = 2.1 \times 10^9\,\text{N/m}^2$ ($\text{Pa}$) bei Normaldruck und $20\,^\circ\text{C}$.

Kompressibilitätskoeffizient ($\kappa$)

Kehrwert des Elastizitätsmoduls ($\kappa = \frac{1}{E_W}$); beträgt für Wasser $4.73 \times 10^{-10}\,\text{m}^2/\text{N}$ ($\text{Pa}^{-1}$).

Volumenänderung bei Druckänderung

Gleichung zur Ermittlung der Volumenänderung $\Delta V$ infolge einer Druckänderung $\Delta p$: $\Delta V = -V \cdot \frac{\Delta p}{E_W} = -V \cdot \kappa \cdot \Delta p$.

Schallgeschwindigkeit in Wasser ($a_{0,W}$)

Geschwindigkeit der Ausbreitung von Störungen/Druckwellen im Wasser ($a_0 = \sqrt{\frac{E_W}{\rho}} = \sqrt{\frac{1}{\kappa \cdot \rho}}$); beträgt bei Normaldruck und $20\,^\circ\text{C}$ ca. $1450\,\text{m/s}$.

Dynamische Viskosität ($\eta$)

Proportionalitätsfaktor zur Umrechnung vom Geschwindigkeitsgefälle zur Schubspannung ($\tau = \eta \cdot \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}n}$) mit der Einheit $\text{N\,s/m}^2$.

Kinematische Viskosität ($\nu$)

Auf die Dichte bezogene dynamische Viskosität ($\nu = \frac{\eta}{\rho}$) mit der Einheit $\text{m}^2/\text{s}$.

Oberflächenspannung ($\sigma$)

Infolge von Molekülanziehungskräften an der Grenzfläche wirkende Spannung; für Wasser und Luft bei $20\,^\circ\text{C}$ beträgt $\sigma_{\text{Wasser}} = 0,073\,\text{N/m}$.

Kapillare Steighöhe im Rohr

Die Steighöhe $h_{\text{kap}}$ einer Flüssigkeit in einem kreisrunden Kapillarrohr mit Durchmesser $d$, berechnet nach $h_{\text{kap}} = \frac{4 \cdot \sigma}{\rho \cdot g \cdot d} \cdot \cos(\alpha)$.

Kapillare Steighöhe im engen Spalt

Die Steighöhe $h_{\text{kap}}$ einer Flüssigkeit in einem engen Spalt der Weite $b$, berechnet nach $h_{\text{kap}} = \frac{2 \cdot \sigma}{\rho \cdot g \cdot b} \cdot \cos(\alpha)$.

Hydrostatik

Lehre von den ruhenden Flüssigkeiten und den sich in ihnen ausbildenden Kräften unter der Wirkung äusserer Kräfte.

Druck ($p$)

Die auf eine Fläche wirkende Kraft ($p = \frac{F}{A}$) in der Einheit Pascal ($\text{Pa} = \text{N\,m}^{-2} = \text{kg\,m}^{-1}\,\text{s}^{-2}$).

Atmosphärendruck (p_{\amb})

Umgebungs- bzw. Luftdruck; der Standarddruck auf Meereshöhe beträgt ca. $1013\,\text{hPa}$ und schwankt wetterabhängig zwischen $880\,\text{hPa}$ und $1080\,\text{hPa}$.

Druckhöhe ($h_D$)

Die zu einem bestimmten Druck $p$ äquivalente Flüssigkeitssäule in Metern, berechnet über $h_D = \frac{p}{\rho \cdot g}$.

Relativer vs. Absoluter Druck

Der absolute Druck $p_{\text{abs}}$ wählt den absoluten Nullpunkt als Bezugsgrösse ($p_{\text{abs}} = 0$), während der relative Druck den Atmosphärendruck p_{\amb} als Referenz nutzt.

Hydrostatischer Druck

Der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit in der Tiefe $z$, gegeben durch die Formel $p = p_0 + \rho \cdot g \cdot z$.

Isobaren

Niveauflächen bzw. Flächen konstanten Drucks innerhalb einer Flüssigkeit.

Kommunizierende Gefässe

Verbundenes Gefässsystem, bei dem der Wasserstand bei gleichem Druck auf den Wasserspiegel unabhängig von der Gefässform überall auf gleicher geodätischer Höhe liegt.

U-Rohr-Manometer

Messgerät zur Bestimmung des Drucks $p_1$ mittels Flüssigkeitssäule und Sperrflüssigkeit nach der Formel $p_1 = p_0 + \Delta h \cdot g \cdot \rho_{\text{Hg}} - h_1 \cdot g \cdot \rho_w$.

Satz von Steiner

Formel zur Berechnung des Flächenträgheitsmoments bezüglich einer parallel verschobenen Achse: $I_x = \bar{I}_{0x} + A \cdot y^2$ bzw. I_y = \n\bar{I}_{0y} + A \cdot x^2.

Couette-Viskosimeter

Messgerät zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten anhand des gemessenen Drehmoments bei gegebener Drehzahl.

Flächenträgheitsmomente (Rechteck und Quadrat)

Flächenmomente 2. Grades bezüglich der Schwerachsen für Rechteck ($I_x = \frac{b \cdot h^3}{12}$, $I_y = \frac{h \cdot b^3}{12}$) und Quadrat ($I_x = I_y = \frac{a^4}{12}$).