1.1 Wichtige Formeln:

• Erster Hauptsatz für geschlossene Systeme:

• Äquivalenz von Wärme und Arbeit:

• : positiv bei Kompression – negativ bei Expansion

• : Zufuhr von Wärme vergrößert U oder V

• Änderung der inneren Energie bei starren Wänden:

• Enthalpie:

• Bei Idealen Gasen ist:

• Zustandsgleichung des Idealen Gases:

• Zustandsgleichung des Idealen Gases:

• Zustandsgleichung des Idealen Gases:

• Zustandsgleichung des Idealen Gases:

• Universelle Gaskonstante:

• Gesamtdruck eines Systems:

1.2 Wichtige Konstanten:

• Avogadro-Konstante:

• Universelle Gaskonstante:

2. Formeln der Zustandsänderungen

2.1 Isochore Zustandsänderung

2.1.1 Generell

• Das Volumen ist konstant.

• Wegen und tritt keine Volumenänderungsarbeit auf.

2.1.2 Formeln

• Bei Idealem Gas folgt wegen v=v1=v2 aus der Zustandsgleichung p*v=R*T:
• zugeführte Wärme:

2.2 Isobare Zustandsänderung

2.2.1 Generell

• Der Druck ist konstant.

2.2.2 Konstanten

• Isobare spezifische Wärmekapazität:

2.2.3 Formeln

• Volumenänderungsarbeit allgemein:

• Volumenänderungsarbeit (Ideales Gas):

2.3 Isotherme Zustandsänderung

2.3.1 Generell

• Temperatur ist konstant.

2.3.2 Formeln

• allgemeine Volumenänderungsarbeit:
• Volumenänderungsarbeit für Ideales Gas:

• isotherme Zustandsänderung wegen p1*v1=p2*v2:

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Obrige Aspekte beschreiben das “Ideale Gas”.
Die Theorie des “Realen Gases” erfolgt durch Ergänzung eines weiteren Aspektes der Wechselwirkungen und der Brown’schen Molekularbewegung.

1.3 – Thermische Zustandsgleichung

Robert Boyle und Edme Mariotte erkannten 1662 und 1679, dass das Produkt von bei idealen Gasen unter konstanter Temperatur, gleich einer Konstante ist, die nur von der Temperatur anhängt und zur Masse proportional ist.

So schreibt man:

1802 entdeckte dann Louis Joseph Gay-Lussac, dass das Volumen unter konstantem Druck linear von der Temperatur abhängt.

(bei p=const)

Vereint man diese zwei Gesetze, erhält man die Zustandsgleichung des Idealen Gases:

oder

Die individuelle/spezielle Gaskonstante R ist für jedes Gas charakteristisch und kann über p,v und T ermittelt werden.

Die ideale Gasgleichung lässt sich für molare Größen umschreiben, indem durch die Molmenge n dividiert wird:

mit ergibt sich:

dabei ist das molare Volumen, M die Molmasse.

Nach dem “Gesetz von Avogadro” enthalten alle idealen Gase bei gleichem Volumen und gleichem Zustand (Druck p und Temperatur T) gleich viele Teilchen. Umgekehrt nimmt eine bestimmte Teilchenzahl, bei idealen Gasen unter gleichen Bedingungen, dasa gleiche Volumen ein.
So hängt das molare Volumen der idealen Gase nur vom Zustand (Druck p und Temperatur T) und nicht von der Gasart ab.

Es lässt sich also folgendes schreiben:

; ist die universelle Gaskonstante:

1.4 – Kalorische Zustandsgleichung

In dem Überströmungsversuch von Joule, stellt sich nach Beruhigung der Strömung die ursprüngliche Temperatur wieder ein.
Die Innere Energie des Idealen Gases hängt weder vom Volumen, noch von Druck ab, sondern nur von der Temperatur.

So gilt: oder

1.5 – Mischung Idealer Gase

Ein Gemisch Idealer Einzelgase, verhält sich ebenfalls wie ein ideales Gas.
Beim Mischen von Gasen sinkt der Druck (Partialdruck ) den dieses vorher auf die Wand des Volumes ausübte, indem es aufbewahrt wurde.

Der Gesamtdruck p der Mischung setzt sich aus den einzelnen Partialdrücken der Idealen Gase zusammen:

oder allgemein

Die Zustandsgleichung für die i-te Komponente vor der Mischung lautet:

und nach der Mischung:

So folgt: oder:

Für die Gaskonstante der Mischung ergibt sich:

Teil 2 – Zustandsänderungen von Idealen Gasen

Fünf verschiedene Zustandsänderungen bei Gasen:

1. Isochore Zustandsänderung
2. Isobare Zustandsänderung
3. Isotherme Zustandsänderung
4. Adiabate Zustandsänderung
5. Polytrope Zustandsänderung

2.1 – Isochore Zustandsänderung

Bei der Isochoren Zustandsänderung bleibt entweder eine Zustandsgröße konstant, oder der Austausch Wärme und/oder Arbeit über die Systembegrenzung ist ausgeschlossen.

Beispiel für Isochore Zustandsänderung:
Ein in einem Behälter mit starren Wänden eingeschlossenes Medium wird erwärmt oder gekühlt.

Bei einem Idealen Gas folgt aufgrund und der Zustandsgleichung :

Bei der Isochoren Erwärmung tritt wegen und , keine Volumensänderungsarbeit auf.

Anwendung der Isochoren Erwärmung auf den 1. Hauptsatz:

1. U = Innere Energie des Systems; definiert durch Änderung .
2. = Arbeit

Da jedoch und somit auch , tritt keine Volumenänderungsarbeit auf -> .
Somit gilt bei der isochoren Erwärmung nach dem 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme folgendes:

Mit der isochoren spezifischen Wärmekapazität gilt:

oder: mit als Mittelwert von zwischen und

MERKE:
Bei isochoren Zustandsänderungen ist die zu- bwz. abgeführte Wärme gleich der Änderung der inneren Energie.

2.2 – Isobare Zustandsänderung

Bei der isobaren Zustandsänderung gilt nach der Zustandsgleichung des Idealen Gases :

oder:

Die Isobare Zustandsänderung von 1 nach 2 leistet Volumenänderungsarbeit:

und für ein Ideales Gas auch:

Nach dem 1. Hauptsatz gilt für die zugeführte Wärme:

und mit :

ODER: ; mit als Mittelwert

MERKE:
Bei der Isobaren Zustandsänderung ist die zu- bzw abgeführte Wärme gleich der Änderung der Enthalpie.

2.3 – Isotherme Zustandsänderung

Bei der Isothermen Zustandsänderung ist die Volumenänderungsarbeit allgemein:

Für Ideale Gase gilt mit :

Volumenänderungsarbeit und technische Arbeit sind bei isothermer Zustandsänderung eines Idealen Gases gleich hoch.

Aus dem 1. Hauptsatz folgt für Ideale Gase, bei denen die innere Energie n nur von der Temperatur abhängt, für isothermische Zustandsänderungen:

ODER:

MERKE:
Zugeführte Wärme wird bei isothermer Zustandsänderung eines Idealen Gases vollständig als Arbeit wieder abgegeben.

Teil 3 – Zusammenfassung der Idealen Gase

3.1 – Wichtige Formeln:

1. >> Ideale Gasgleichung
2. >> 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme
3. >> Innere Energie
4. >> Enthalpie
5. >> Wärmekapazität

3.2 – Zusammenfassung der Zustandsänderungen

3.2.1 – Isochore Zustandsänderung:

Zugeführte Wärme erhöht nur die Innere Energie:

;

3.2.2 – Isotherme Zustandsänderung:

Zugeführte Wärme wird komplett in mechanische Arbeit umgewandelt:

oder
oder

3.2.3 – Isobare Zustandsänderung:

>> Übertragene Wärme
>> Volumenänderungsarbeit

3.2.4 – Isentrope Zustandsänderung:

>> Keine Übertragung von Wärme
>> Volumenänderungsarbeit

3.2.5 – Polytrope Zustandsänderung:

>> übertragende Wärme
>> Volumenänderungsarbeit

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Da Geoinformationssysteme von vielen Entwicklungen unterschiedlichster Anwendungsgebiete abhängen, ist die Entwicklung von GIS eng mit den Innovationen der Informations- und Kommunikationstechnik verknüpft.
Eine enge Zusammenarbeit zwischen Industrie und Praxis hat seit Anfang der 80er Jahre in vielen Gebieten zu anwendungsreifen Lösungen geführt.

Folgende Abbildung zeigt wichtige technische Entwicklungen für die Grundsätze der Geoinformationssysteme.

Als Meilensteine in der GIS Entwicklung sind zu nennen:

• Ausbau der Netzwerk Funktionen
• Windows Systeme mit graphischer Oberfläche
• mobile GIS
• das Internet/Intranet um Daten weltweit auszutauschen
• verschiedene Geoportale und Web Services
• Earth Viewer als Geodaten-Visualisierer für die breite Masse

Google Earth führt seit 2004 die Kategorie der Earth Viewer an. Das Geo-Programm überlagert aktuelle Luftaufnahmen und Satellitenbilder mit Geodaten und zeigt sie in einem Höhenmodell der Erdoberfläche an.
Google Earth benutzt somit fast alle der grundlegenden Entwicklungen auf dem GIS Markt. Es basiert auf PC-Windows (seit 2006 erst für Mac erschienen), wird über das Internet an viele User verteilt und gibt es mittlerweile sogar auf mobilen Geräten.

2. Klassifizierung von Geoinformationssystemen

GIS werden eingeteilt nach Fachanwendung, Lebensdauer der Geodaten, räumliche Ausdehnung und Datenauflösung oder ihrer jeweiligen Systemarchitektur.

Klassifizierungsmerkmale sind:

1. Fachanwendung
   1. Kommunale GIS (KIS)
   2. Netzinformationssysteme (NIS)
   3. Umweltinformationssysteme (UIS)
2. Lebensdauer der Geodaten
   1. temporäre Speicherung (GIS-Projekte)
   2. persistente Speicherung (“echtes” Informationssystem)
3. Räumliche Ausdehnung und Datenauflösung
   1. Größen: globales, regionales, lokales GIS
   2. Dimensionen: 2D / 3D / 4D
   3. Maßstäbe: Landinformationssysteme, Topographische Informationssysteme, Geographische Informationssysteme
4. Systemarchitektur
   1. Desktop-GIS
   2. Client/Server-GIS (“High-End-GIS”)
   3. Internet-GIS
   4. Mobiles GIS
   5. GeoPortale und Geodateninfrastrukturen

3. Komponenten eines GIS

Die Geoinformationssysteme setzen sich aus Hardware und Software, ihrer Daten und Anwendungen zusammen.
Dabei spielen die Geodaten wohl die bedeutendste Rolle. Diese werden entweder in der GIS-Anwendung selbst gespeichert, oder werden von einem Server abgerufen.

Die Basissoftware baut direkt auf die Datenbank auf. Es gibt viele Erweiturungen dieser Basissoftware, die spezielle Bedürfnisse der jeweiligen Fachanwendung in zusätzlichen Funktionen anbieten.

Die wichtigsten Funktionen eines GIS:

• die Erfassung, Aktualisierung und Qualitätsverbesserung
• Modellierung und Verknüpfung
• Speicherung und Mehrfachnutzung
• Recherche, Analyse, Simulation
• anwenderbezogene Auskunft und Präsentation raumbezogener Informationen

4. Systemarchitekturen einer GIS Anwendung

4.1 Desktop GIS

Desktop GIS sind meist auf spezielle Anwendungen zugeschnitten und werden direkt auf dem Computer gespeichert.
Sie bieten die wichtigsten GIS Funktionen an, kommen jedoch nicht an den Funktionsumfang der Client/Server-GIS heran.
Hauptsächlich werden Desktop-GIS zu Datenerfassung, -verwaltung und -auskunft eingesetzt. Die zu behandelnden Datenmengen bleiben meist recht überschaulich, die Bedienbarkeit der Desktop Geoinformationssysteme ist relativ leicht.

4.2 Client/Server-GIS

Client/Server-GIS speichern ihre GIS-Daten und zentralen Anwendungen auf einem leistungsstarken Zentralrechner (Server).
Auf diesen Server können mehrere Clients zugreifen und die Funktionen unabhängig voneinander ausführen.

Die Client/Server-GIS haben den höchsten Funktionsumfang und sind somit sehr komplex. Sie sind in der Lage, große Datenmengen vieler Nutzer aus unterschiedlichen Fachrichtungen zu verarbeiten und zusammenzufügen.

Die Systeme können durch zusätzliche Module angepasst, oder durch Programmieren individuell angepasst werden.

Wesentliche Faktoren, die ein High-End-GIS schlagwortartig charakterisieren, sind
eine integrierte Datenhaltung über ein Datenbank-Managementsystem (DBMS),
ein modularer Aufbau und die Erweiterbarkeit des Systems & eine Client/Server-Architektur.

4.3 Internet-GIS

Die Daten sind, wie bei den Client/Server-GIS auf einem zentralen Großrechner gespeichert. Dieser stellt die Daten über das Internet weltweit zur Verfügung. Es wird kein vorinstallierter Client benötigt, sondern nur einen Internetbrowser oder das entsprechende kostenlose Internet-GIS Programm (z.B. Google Earth).

Die Internet Geosysteme werden vorwiegend zur Auskunft und Präsentation von Daten genutzt.

Systemstruktur der Datenbanken im Internet (3-Tier-Architektur):

4.4 GeoPortale und Geodateninfrastrukturen

Eine Geodateninfrastruktur (GDI) soll den Zugriff auf GEOdaten erleichtern. Sie wird derzeit auf europäischer, nationaler sowie auf Länder- und kommunaler Ebene aufgebaut.

Mit dem Aufbau der GDI-DE soll eine länder- und ressortübergreifende Vernetzung von Geodaten in Deutschland erreicht und eine nationale GDI aufgebaut werden.

Erreichen möchte man dadurch ein komplexes Netzwerk, über das Geodaten zwischen Produzenten, Dienstleistern und Nutzern ausgetauscht werden kann.

Weitere Infos hier: http://www.gdi-de.de

4.5 mobile GIS

Damit die GIS-Technologie auch unterwegs oder im Außendienst angewandt werden kann, werden zunehmend mobile-GIS verwendet.

Entweder sind die mobilen GIS über Funk mit einer Datenbank/Server verbunden, oder die benötigten Daten werden im Gerät gespeichert.

Alle Navigatoinsinstrumente sind mobile Geoinformationssysteme. Die Daten sind meist lokal gespeichert und die Position wird über Satellitenpositionierungsdienste bestimmt.

5. GIS-Hersteller und Produkte

• ESRI (ArcGIS, …)
• Intergraph (Geomedia, …)
• Smallworld (Smallworld GIS)
• Autodesk (Autocad, Topobase)
• AED-SICAD (auf ESRI-Basis)

Jeder Hersteller hat zu ihrer Basisanwendung mehrere Zusatzanwendungen anzubieten.
Als Beispiel hier mal die Produktpalette der ArcGIS:

5.1 weitere große GIS Projekte

1. Galileo (Europäisches Satellitennavigationssystem)
2. INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the European Community)
   • Landesweite Aktivitäten und Tests
   • Umsetzung in Bundesrecht und Landesrecht
   • Verstärkter Aufbau nationaler GDIs
   • Metadaten-Push
3. GMES (Global Monitoring for Environment and Security)
   • Verstärkte Einbindung von Fernerkundung in GIS / OGC / INSPIRE
   • Nutzerfokus rückt in den Vordergrund

Ähnliche Artikel:

1. Einführung in Geoinformatik und Geoinformationssysteme [Kapitel 1]
2. GIS – Bezugssysteme [Kapitel 3]
3. Geoinformationssysteme – Geodaten [Kapitel 4]

Als Geoinformatik bezeichnet man die computergestützten Methoden zur Modellierung und Analyse räumlicher Strukturen und Prozesse.
Geoinformatik befasst sich mit dem Bereitstellen von Geodaten und den darauf aufbauenden Anwendungen. Die weitere Ausführung der gewonnenen Geodaten durch computerbasierte Anwendungen, mündet in die Technik der Geoinformationssysteme (GIS). Als Geoinformation werden alle Informationen bezeichnet, die einen Bezug zu Raum und Zeit haben.

Definition: Geoinformationssystem

Ein Geoinformationssystem besteht aus Hardware und Software, die Geodaten auswerten und in speziellen Anwendungen darstellen können.
Diese Systeme basieren auf wichtigen Teilkomponenten wie das Datenmodell, die Methoden zur Analyse, eine globale Datenbank und Anwendungen (wie zB Google Earth) zur Darstellung und Visualisierung der bereitgestellten Geodaten.
Es gibt verschiedene Geoinformationssysteme für Fachanwendungen, für unterschiedlich langlebige Geodaten, für verschiedene Datenauflösungen und Systemarchitekturen.

Geoinformatik wird als Querschnittsdisziplin betrachtet

Die Geoinformatik entstand durch eine Überschneidung klassischer Fachbereiche. Die Geoinformatik bezieht ihre Daten aus Disziplinen wie Kartografie, Geodäsie, Fotogrammetrie, der Fernerkundung und der Informatik.
Die Geoinformatik wird ebenfalls in anderen Fachdisziplinen wie Geografie, Umweltplanung, Landnutzung, Agrarwissenschaften bis hin zur Medizin eingesetzt.

Die Grundlagen der Geoinformatik liefert hierbei die Informatik und die Geodäsie. Die Informatik stellt Datenbanken, Programmiersprachen und Systemarchitekturen, sowie Netzwerk- und Kommunikationstechnologien zur Verfügung.
Die Geodäsie liefert die sehr wichtigen geodätischen Bezugssysteme, die Grundlagen für Sensortechnik für Fernerkundung und Vermessung und natürlich die Kartographie.

Teilkomponenten der Geoinformatik

Die Geoinformatik ist auf 5 wichtige Komponenten angewiesen um geodätische Bezugssysteme zu erstellen:

1. modellieren und erstellen der Datenbanken
2. digital Daten erfassen
3. in Datenbanken speichern
4. Geodaten analysieren
5. Daten über Anwendungen präsentieren (Google Earth, ArcView)

Earth Viewer und ihre Folgen

Auf der einen Seite wurden Geoinformationen bis vor ein paar Jahren fast ausschließlich von nicht kommerziellen Nutzern benutzt. Seit dem Web 2.0 gibt es durch sogenannte “Earth Viewer”, ebenfalls für private Nutzer, eine Möglichkeit auf Geodaten zurückzugreifen.

Beispiele für Earth Viewer sind:

• Google Maps und Google Earth (Google)
• Virtual Earth (Microsoft)
• Map24 (Mapsolute)
• Yahoo!Maps (Yahoo)
• NASA World Wind (NASA)
• ArcWeb Explorer (ESRI)

Alle Systeme und enthaltenen Geodaten sind kostenfrei zu nutzen.

Diese Earth Viewer enthalten alle grundlegenden Funktionen zu einer Auswertung der Geodaten. Ebenfalls unterstützt Google Earth zum Beispiel eine 3D Sicht und das hinzufügen von Plug-Ins.
Für Nutzer von großem Interesse ist die Möglichkeit der Integration und Visualisierung eigener Daten in Google Earth (Punktinformationen: Points of Interest oder auch flächenhafter Rasterdaten). Diese
Daten können so auch anderen Nutzern zur Verfügung gestellt werden.
Google setzt alles daran, die Einbindung externer Datenquellen so einfach wie möglich
zu gestalten, um seinen Nutzern möglichst viel interessanten Content zur Verfügung
stellen zu können. So ist es für Nutzer klassischer Geoinformationssysteme mittlerweile
sehr einfach, ihre Daten in Google zu integrieren (in Form von Dateien über Keyhole
Markup Language-Exportschnittstellen (KML) bzw. Interoperabilität zwischen Web-GIS
und Google Earth über Open Geospatial Consortium Interfaces (OGC)).

Seit dem Aufkommen von Earth Viewern bildeten sich drei unterschiedliche Teilmärkte aus:

• Teilmarkt der Geoinformationssysteme für GIS-Experten und klassische GISAnbieter (High-End-Anwendungen).
• Teilmarkt für die breite Masse (Konsum), den die Anbieter der Earth Viewer nun bedienen und der für die klassischen GIS-Anbieter nun verloren scheint.
• Teilmarkt, der Geoinformationssysteme und Earth Viewer kombiniert

Unterschied zwischen Standard-GIS und Earth Viewer

Der wohl größte Unterschied liegt im Bedienungskomfort und Anwendungsorientierung. In Earth Viewern können dir Nutzer eigene Bilder, Videos und sonstige Informationen zu Standpunkten hinzufügen. Sie werden vorwiegend für private Zwecke benutzt und sind zur Visualisierung von Geodaten zuständig. Mit Tools wie dem Lineal und dem Pfadwerkzeug können grundlegende Streckenmessungen unternommen werden. Durch die Möglichkeit persönlich erstellte Plug-Ins einzubinden, wird die Funktionalität imens erhöht.

Standard-GIS sind lokal installierte Programme, die nicht die Benutzerfreundlichkeit in den Vordergrund stellen, sondern eine möglichst hohe Funktionalität. Das Kartenmaterial ist meist auf eigenen Servern installiert, was eine niedrigere Ausfallquote und bessere Erreichbarkeit garantiert.

Kartenmaterial lässt sich zum Beispiel selbst erstellen, oder hinzufügen. Es lassen sich auf Karten neue Straßen und Wohnflächen planen, Karten georeferenzieren und Flächenverschneidungen erstellen.
Allgemein haben Standard-GIS Programme also viel mehr Einstellungsmöglichkeiten. Das Kartenmaterial wird häufiger aktualisiert und ist genauer als bei den Earth Viewer Programmen. Viele GIS Anbieter liefern eigenes Kartenmaterial mit der Software.
Weitere Informationen finden sich auf der Homepage der ESRI-Deutschland.

Standard-GIS Programme wie die ESRI-Produkte (ArcGIS) bieten gleich mehrere Programmoberflächen. Eine für die Geodatenverwaltung (ArcCatalog), eine zum Bearbeiten, analysieren und darstellen (ArcMap) und eine Oberfläche für Geoprocessing (ArcToolbox).

Ähnliche Artikel:

1. Grundlagen der GIS-Technologie [Kapitel 2]
2. Geoinformationssysteme – Geodaten [Kapitel 4]
3. GIS – Bezugssysteme [Kapitel 3]