Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 
 
 
 
 
 
 
 

Grundlagen der Granulatphysik

 Was hat es mit granularen Gasen auf sich?

Hier gibt es eine Beschreibung in möglichst einfachen Worten - und eine etwas wissenschaftlichere Version.

Zunächst aber erst einmal: Was versteht der Physiker unter granularen Materialien?

 Granulare Materialien stellen eine lose Menge fester Partikel dar - unzählbar viele und schwer genug,
dass sie sich nur bewegen, wenn ihnen kontinnuierlich mechanische Energie zugeführt wird. Es gibt sie auf
allen Größenskalen - von Sand über Reis und Popcorn bis zu Geröll und den Ringen des Saturn. Seit unseren Kinheitstagen haben wir mit Granulaten gespielt, im Erwachsenenalter wundern wir uns vielleicht über die oben liegenden Früchte in der Packung Müsli, die Menschheit verbaucht viel Energie zum Transport aller möglicher Granulate, in Dünen oder auch bei Erdrutschen begegnet uns die Physik der Granulate in der Natur und vermutlich führte sie in der Ansammlung von interstellarem Staub zur Struktur unseres Universums, wie wir es heute sehen.

Generell versucht ein Physiker, das Problem so stark wie möglich zu vereinfachen - aus diesem Grund werden
in Experimenten oft kleine Glas- oder Metallkugeln benutzt. Wenn wir über formanisotrope Partikel
sprechen, meinen wir langgezogene oder abgeflachte Teilchen. Die einfachsten Beispiele sind Scheiben
und Stäbchen - zum Beispiel Lakritzschnecken, Linsen oder Spaghetti.

Die meisten Menschen kennen drei Aggregatzustände, geordnet nach wachsender Temperatur: fest, flüssig, gasförmig. In Festkörpern
sind die Positionen der Bausteine (Moleküle, Atome, u. s. w.) fixiert, in Flüssigkeiten und Gasen nicht.
Flüssigkeiten enthalten ungefähr tausendmal so viele Moleküle wie Gase im gleichen Volumen - Gase
sind also stark verdünnte Systeme. Die Moleküle sind dabei ständig in Bewegung. Die Temperatur ist dabei ein Maß dafür, wie schnell sich die Teilchen im Mittel bewegen. Genauer gesagt, ist sie proportional zur mittleren quadratischen Geschwindigkeit der Teilchen, also ein Maße für die mittlere kinetische Energie. Dabei entfällt in Gasen gleich viel Energie auf die geradlinigen Bewegungen entlang der drei Raumrichtungen, und auf die Rotationen bzw. Schwingungen der Teilchen (Gleichverteilungssatz bzw. Äquipartitionstheorem).

In Granulaten spielt die thermische Bewegung der Moleküle keine Rolle - sie sind schwer und groß genug, dass sie liegen bleiben, wenn sie nicht von außen angestoßen werden. Trotzdem verhalten sie sich manchmal wie die Festkörper, wie Flüssigkeiten oder auch wie Gase. In einer Sanduhr fließt der Sand, vom oberen in den unteren Teil des Behälters, er erscheint dabei wie eine Flüssigkeit. Es bildet sich ein kegelförmiger Haufen im unteren Teil, dessen Winkel immer gleich ist. Hier bleibt der Sand liegen, verhält sich also wie ein Festkörper. Und die Sandkörner im Sandsturm werden von der Luft getragen, stoßen aber nur selten zusammen - wie in einem Gas.

Vieles verleitet dazu, Kenntnisse aus der molekularen Theorie zu übertragen. Der wesentliche Unterschied zwischen Molekülen und Granulaten ist jedoch, dass in Granulaten bei allen Stößen zwischen den Körnern Bewegungsenergie in Wärme (also kinetische Energie der Moleküle, aus denen die Partikel bestehen) umgewandelt wird. Wie Billardkugeln verlieren die Partikel ihre kinetische Energie, bis sie zum Stillstand kommen. Dies führt dazu, dass sich viele Phänomene, die in Granulaten beobachtet werden, nicht so einfach erklären oder gar mathematisch modellieren lassen.

Letzte Änderung: 25.06.2013 - Ansprechpartner: Webmaster