Peter Kurzweil Das Vieweg Einheiten-Lexikon Weitere _________________ ____. Nachschlagewerke Lexikon Technik vonA. Böge Techniker Handbuch vonA. Böge Handbuch Elektrotechnik vonA. Böge Vieweg Mathematik Lexikon von O. Kerner (u. a.) Physi k griffbereit von B. M. Ja worski und A. A. Detlaf vieweg ________________ ~ Peter Kurzweil DasVieweg Einheiten-Lexikon Formeln und Begriffe aus Physik, Chemie und Technik IJ vleweg Prof. Dr. Peter Kurzweil Fachhochschule Amberg-Weiden Kaiser-Wilhelm-Ring 23 92224 Amberg/Opf. [email protected] Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigjWiesbaden, 1999 Softcover reprint oftbe hardcover 1st edition 1999 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt ins besondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. http://www.vieweg.de Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Niedernhausen Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN 978-3-322-92921-1 ISBN 978-3-322-92920-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-92920-4 Vorwort m 16. Jahrhundert verfügte ein allerhöchster Befehl, dass sechzehn willfährige engli sche Untertanen am Sonntag nach dem Verlassen der Kirche die linken Füße hinter • einander in einer Reihe aufstellen sollten. Die so festgelegte Distanz entsprach fortan einer perch (Rute). Der 16. Teil dieser Länge hieß foot, hinwiederum unterteilt in 12 inches. Dabei blieb es bis heute. Ein bedeutendes inländisches Unternehmen kaufte bei einer nordamerikanischen Firma Testein richtungen ein. Die mechanischen Aufbauten trugen Inchrohre und -gewinde. Die metrischen Werkzeuge passten nicht. Auf den Bedienelementen prangten Beschriftungen wie psig, lbs/cu.ft. und F. Die Versuchsingenieure versuchten mit den angloamerikanischen Einheiten zu arbeiten 0 und zu kommunizieren. Findige Köpfe durchsuchten die Spezialliteratur nach präzisen Umrech nungsfaktoren, um die Messergebnisse mit metrischen Erfahrungswerten bewerten zu können. Die Taschenrechner liefen heiß. Je nach Standpunkt war es für Insider und Aussenstehende eine herrliche oder abstoßend kryptische Zeit. Nach einigen Wochen schritt der verantwortliche Öko nom ein. Schließlich wurde mit dem Lieferanten die Verwendung von SI-Einheiten vertraglich vereinbart. Das war Mitte der neunziger Jahre - dieses Jahrhunderts! Meter und Kilogramm gibt es seit über zweihundert Jahren. 1954 wurde das Internationale Ein heitensystem eingeführt. Trotzdem haben sich metrische Einheiten nicht weltweit durchgesetzt. See-und Luftfahrt halten unnachgiebig an "Füßen und Meilen" fest. Kilokalorien und Atmosphä ren überdauern in der Industrie und an den Hochschulen. Mit dem SI-System "aufgewachsene" Studenten müssen sich veraltete Einheiten aneignen, wenn sie internationale Fachliteratur verste hen wollen. In manchen Lehrbüchern tauchen physikalische Gesetze in Schreibweise der alten cgs-Systeme auf, in krassen Fällen unkommentiert neben SI-Gleichungen. Die USA traten 1875 der Internationalen Meterkonvention bei und haben 1966 das metrische System legalisiert, aber es nicht zwingend eingeführt. 1968 gab der U.S. Congress eine drei jährige Studie über Nutzen und Nachteile metrischer Einheiten in Auftrag, 1975 formierte sich der U.S. Metric Board, um die "vollständige Umstellung auf das metrische System zu koordinie ren". Die probeweise Einführung von km/h statt m.p.h. auf den nationalen Autobahnen scheiterte. Ölgesellschaften, Luft- und Schiffsverkehr, Industrie und Forschung hielten an den gewohnten Einheiten fest. Das Fußballfeld blieb bei seinen 100 yards Länge. Auf den Warenterminmärkten werden weiterhin Edelmetalle in ounces, Rohöl in barrels, Heizöl in gallons, Agrarprodukte in bushels, Rinder und Schweine in pounds, Bauholz in board feet gehandelt. 1959 verständigten sich immerhin die englisch sprechenden Länder untereinander auf die ein heitliche Festlegung des Inch zu 25,4 mm, des Foot zu 30,48 cm, des Yard zu 0,9 144 mund des Pound zu 0,45 359237 kg. Bei der US gallon und der britischen imperial gallon war kei ne Übereinstimmung herbeizuführen. Großbritannien und Kanada haben das metrische System gesetzlich eingeführt, aber die völlige Umstellung wurde bis heute nicht erreicht. Benzin erhält man gleichermaßen in Gallonen und Litern, beim Metzger dominieren pounds und ounces über das Gramm. Das europäische Festland ist keineswegs fortschrittlicher: Das Pfund wurde 1935 in Deutschland verboten und beherrscht trotzdem den täglichen Einkauf. Journalisten pflegen die absurde Einheit "Stundenkilometer", die im krassen Gegensatz zur Dimension der Geschwindigkeit als "Länge pro Zeit" steht. Das "Hektopascal" wurde eigens erfunden, um den Hörern des Wetterberichtes Vorwort VI die gewohnten "Atmosphären" in der Vorstellungswelt zu belassen. Ärzte bestimmen den Blut druck weiterhin in "Millimeter Quecksilbersäule" und Kernphysiker konnten sich nicht an fm2 gewöhnen. DIN 1301 vom Dezember 1985 nahm "mmHg" und Barn als gesetzliche Einheiten "für einen bestimmten Anwendungsbereich" auf. Dieses Nachschlagewerk will praktischer Begleiter durch den Mikrokosmos der überkommenen Einheiten und Begriffe sein. Es umfasst in rund 6000 Stichworteinträgen: • Formeln und Definitionen aus Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften. • Messverfahren und Tabellenwerte für wichtige SI-Größen. • Internationale Einheiten, Größen, Begriffe, Symbole und Formelzeichen. • Konstanten und Umrechnungsfaktoren. • Angloamerikanische, nichtmetrische und historische Einheiten. • Maße und Gewichte aus aller Welt. • Härtegrade, Papierformate, Schriftgrößen, Währungen und Münzen. • Kalenderdaten verschiedener Zeitsysteme und Epochen. • Nobelpreisträger. • Fachbegriffe Deutsch-Englisch. Das Lexikon will praktische Fragen beantworten: Wie sind physikalische Größen definiert? Wie misst man sie? Wie sind englische Fachbegriffe zu übersetzen? Wann galten historische Ma ße, Gewichte und Münzen? Und vieles mehr, was in Praxis und Ausbildung nachschlagenswert erscheint. Einführend werden Größen, Dimensionen, Einheiten und damit zusammenhängende Fragen be handelt. Der lexikalische Hauptteil ist Wissensspeicher, Formel- und Datensammlung. Ohne schulmeisterlich erhobenen Zeigefinger, aber doch mit beruhigender Gewissheit, wünsche ich dem Leser, die Qualitäten des Internationalen Einheitensystems schätzen und nützen zu lernen. Für inhaltliche und konzeptionelle Anregungen zu diesem Buch bin ich Herrn Dipl.-Phys. CHRISTIAN SCHUSTER, Zürich, besonders verbunden. Dem Verlag Vieweg, insbesondere Herrn WOLFGANG SCHWARZ, danke ich für die professionellen Hilfestellungen und die zügige Druck legung des Werkes. Meine liebe Frau Christa erwähne ich für die vielen Stunden, die sie für das Tippen und Korrigieren des Manuskriptes aufgewendet.hat. Sollte die interessierte Leserschaft eine historische oder moderne Einheit vermissen, werden sich Verlag und Autor bemühen, die Lücke in einer der nächsten Auflagen gebührend zu schließen. Amberg, im Januar 1999 PETER KURZWEIL VII Vorwort Benutzerhinweise Stichwörter sind fett, Maßeinheiten aufrecht, Wörter lateinischer und griechischer Herkunft kur siv, fremdsprachige Begriffe schräg gedruckt. Abkürzungen für Herkunftsbezeichnungen: d. = deutsch, frz. = französisch, griech. = griechisch, ital. = italienisch, jugos. = jugoslawisch, poln. = polnisch, russ. = russisch, schwed. = schwedisch, eng!. = englisch, GB, brit. = britisch, holl. = niederländisch, jap. = japanisch, lat. = lateinisch, port. = portugiesisch, span. = spanisch, US = amerikanisch. Maßeinheiten werden der Deutlichkeit halber in der Einzahl ausgeschrieben: z. B. "Foot" statt "Feet". Nichtmetrische Einheiten werden nicht übersetzt. "Quadratzoll" und "Kubikfuß" siehe Square inch bzw. Cubic foot. "Kilopond pro Quadratfuß" siehe kilogram force per square foot. "Zenti ... " siehe "Centi ... " Besondere Schreibweisen. Die Groß- und Kleinschreibung von Einheitensymbolen wird im eng lischsprachigen Raum nicht streng befolgt, vielfach steht ein Mehrzahl-s, z. B. amps statt A (Ampere). Abkürzungspunkte werden häufig weggelassen: z. B. cu. ft. und cu ft für "Kubikfuß", Stunden mit hr (hour) statt h, Sekunden mit sec statt s . .e (Liter) steht zur Unterscheidung von 1, 1 und 1. Formelzeichen und Begriffe sind in der alphabetischen Übersicht nach Anwendungsbereichen sortiert: 1. Länge, Wellenlänge 2. Raum, Zeit, Frequenz 3. Mechanik, Festigkeitslehre 4. Akustik 5. Wärmelehre, Wärmetransport, klassische und statistische Thermodynamik 6. Elektrik, Elektrochemie 7. Magnetismus 8. Stoffmenge, Stofft ransport, chemische Kinetik, Technische Chemie 9. Licht, Strahlung, Optik, Spektroskopie 10. Atomistik, Kernspektroskopie 11. Radioaktivität, Strahlung, Kernreaktor 12. Quantenmechanik, Operatoren. Vorwort VIII Abkürzungen in Klammern berücksichtigen ungebräuchliche, veraltete oder auf den englischen oder deutschen Sprachraum beschränkte Formelzeichen und Bezeichnungen. Neben ISO, IUPAC und IUPAP wurden DIN-Normen in der jeweils neuesten Auflage berück sichtigt: • DIN 1301 (SI-Einheiten und Einheiten außerhalb des SI-Systems), • DIN 1302 (Mathematische Zeichen und Begriffe) • DIN 1304 (Allgemeine Formelzeichen, Benennung von Größen), • DIN 1305 (Masse, Kraft, Gewicht, Last), • DIN 1306 (Dichte), • DIN 1311 (Schwingungslehre) • DIN 1314 (Druck), • DIN 1315 (Winkel) • DIN 1320 und DIN 1332 (Akustik) • DIN 1323 (Elektrische Spannung, Potential, Zweipolquelle, Elektromotorische Kraft), • DIN 1324 (Elektromagnetisches Feld), • DIN 1338 (Formelschreibweise und Formelsatz) • DIN 1341 (Wärmeübertragung), • DIN 1342 (Viskosität), • DIN 1345 (Thermodynamik), • DIN 1355 (Zeit), • DIN 4896 (Elektrolytlösungen), • DIN 5483 (Zeitabhängige Größen), • DIN 5489 und DIN 13 322 (Elektrische Netze), • DIN 5493 (Logarithmische Größenverhältnisse), • DIN 5496 (Temperaturstrahlung), • DIN 5497 (Mechanik, starre Körper, Formelzeichen), • DIN 5031 (Strahlungsphysik im optischen Bereich, Lichttechnik), • DIN 13312 (Navigation), • DIN 40 146 (Begriffe der Nachrichtenübertragung und Übertragungssysteme). • DIN 58122 (Formelzeichen, Größen und Einheiten) IX Inhaltsverzeichnis Vorwort V Inhaltsverzeichnis IX 1 Physikalische Größen, Einheiten und Dimensionen 1 1.1 Kohärente Einheiten . 1.2 Inkohärente Einheiten 2 1.3 Einheitenumrechnung 2 1.4 Dimensionen und Dimensionsanalyse . . 2 1.5 Physikalische Gleichungen . 3 1.6 DlN-Empfehlungen zum Formelsatz . . . . . . . 4 2 Das Internationale Einheitensystem 6 2.1 Gesetzliche Grundlage in Deutschland . 6 2.2 Basisgrößen und -einheiten. . . . . . . 6 2.3 Dezimale Teile und Vielfache von SI-Einheiten 8 3 Konstanten und definierte Festwerte 9 3.1 Physikalische Konstanten .. 9 3.2 Physikalisch-chemische Konstanten 10 3.3 Standardwerte und Normzustände 11 3.4 Atomare Konstanten ....... . 12 3.5 Spektroskopische Konstanten .. . 15 3.6 Festlegung der elektrischen Einheiten 16 3.7 Kennzahlen der Dimension 1 . 16 Lexikalischer Teil 19 A Anhang 438 A.1 Nobelpreise für Physik . . . . . . . . . . .438 A.2 Nobelpreise für Chemie .. . . . . . . . . 441 A.3 Nobelpreise für Medizin und Physiologie .444 Literaturverzeichnis 447 1 1 Physikalische Größen, Einheiten und Dimensionen "Maßeinheiten" sind international-früher na Beispiele für kohärente Einheiten: tional oder sogar regional - vereinbarte Ver gleichsgrößen, die einen festen, durch ein genau vorgeschriebenes Mess- und Eichver 1 N = 1 kg2m, 1 J = 1 Nm. s fahren jederzeit reproduzierbaren Betrag ha ben. Die Messung muss unabhängig gegen den Kohärente Einheiten haben folgende Vorteile: Wechsel der Einheit sein. Die Längenmessung mit einer Messlatte zum Beispiel ist unabhän • Für jede Größenart gibt es genau eine Ein gig davon, ob Meter, Ellen oder Zoll abgelesen heit, z. B. das Meter für die Länge. werden. • Abgeleitene Größen und Einheiten sind ein Der Größenwert einer Messgröße besteht ge fache Potenzprodukte der Basisgrößen und nerell aus einem Zahlenwert (früher: Maßzahl) -einheiten. Die Dimensionsexponenten al bis und einer Einheit (früher: Maßeinheit). Das an sind ganze Zahlen. Verhältnis der Größe zur Einheit ergibt einen [abgeleite Größe] = Zahlenwert, der nur für die betreffende Einheit = gilt. [Basisgrößel ]al• = .[Basisgröße2]a2 .... Größe(nwert) Zahlenwert· Einheit . [Basisgrößen ]an Beispiel: V = 6,28 cm3 • SI-Einheiten werden nach denselben alge Der Größen wert ist invariant gegen einen braischen Beziehungen wie die zugeordneten Wechsel der Einheiten. Zahlenwert und Ein Größen gebildet. Daher dürfen in physikali heit verhalten sich gegenläufig, wie die Fak sche Größengleichungen formal die Zahlen toren eines konstanten Produktes. Allgemein werte {X} und Einheiten [X] an Stelle der For gilt: Je größer die Einheit, umso kleiner ist melzeichen X der Größen gesetzt werden, oh der Zahlenwert einer Größe. Ohne Angabe der ne dass der Zusammenhang falsch wird. Bei Einheit ist die Aussage über die Größe sinn spiel: los: ,,5" vermittelt keinen Eindruck, ob Me F=-q- ter, Stunden, Ohm, Liter oder Kartoffeln vor 4Jl" sor2 liegen. Erst die Angabe ,,5 Volt" sagt, dass es le sich um eine Spannung handelt. {F} . [F] = Beispiel: Um denselben Größen wert handelt 4Jl" ·8 85· 10-12 E. . 1 m2 , m es sich bei den Angaben 3,1 mund 310 cm. = 9.109 N 1.1 Kohärente Einheiten • In jedem kohärenten Einheitensystem lau ten Zahlenwert- und Größengleichung gleich. In kohärenten Einheitensystemen (wie dem SI) Eine kohärente Gruppe von Einheiten, die oh sind die Basisgrößen und -einheiten unabhän ne Zahlenfaktoren in die Größengleichungen gig voneinander festgelegt und nicht durch eingeführt werden können, ist z. B. ferner: Zahlenfaktoren miteinander verknüpft. kVA, kV, A, kQ, kH, mF, s. P. Kurzweil, Das Vieweg Einheiten-Lexikon © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 1999