Big Bang HTL 4, Schulbuch

88 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Die Gasgesetze 8 Flüssige und gasförmige Stoffe können strömen, zum Beispiel das Wasser in einem Bach oder die Luft bei einem Windstoß. Solche Strömungen haben viele Gemeinsamkeiten, und daher nennt man beide Stoffe gemeinsam Fluide (Abb. 8.1). Fluide sind also das Gegenteil von festen Stoffen. Auch feste und flüssige Stoffe haben Gemeinsamkeiten, etwa die we- sentlich größere Dichte als Gase. Deshalb fasst man beide unter dem Begriff kondensierte Stoffe zusammen. In diesem Kapitel geht es um die Besonderheiten, die Gase von den kondensierten Stoffen unterscheiden. Abb. 8.1: Die Zweiklassenteilung der Stoffe 8.1 Flummidruck Der Gasdruck Von einem aufgeblasenen Ballon oder einem Reifen weißt du, dass Luft einen Druck entwickelt. In diesem Abschnitt geht es darum, wie dieser Druck eigentlich zu Stande kommt. Die Beschreibung der Natur ist oft sehr kompliziert. In vie- len Fällen kann man aber Vereinfachungen treffen, ohne da- bei zu sehr von der Realität abzuweichen. Das ideale Gas ist ein Beispiel dafür. Salopp kann man sagen, dass ein ideales Gas aus herumflitzenden punktförmigen Flummis besteht, zwischen denen keine Kräfte wirken. Man kann damit inner- halb gewisser Grenzen reale Gase einfach und trotzdem gut beschreiben, und deshalb werden wir bei den folgenden Überlegungen dieses Modell verwenden. Dort, wo es stark von der Realität abweicht, wird das erwähnt. Info: Ideal einfach Wie kommt der Druck eines Gases zu Stande, etwa in einem Reifen? Man könnte meinen, dass es an der Abstoßung der Luftmoleküle liegt ( F3 ). Das ist aber falsch. Der Druck des Was versteht man unter Mol? Was bezeichnet man mit kinetischer Energie? Was versteht man unter einem elastischen Stoß bzw. einem Kraftstoß? Lies nach in Kap. 7.3, 8.3 und 8.4 in NAWI I! Was versteht man unter dem Körperschwerpunkt (KSP) eines Objekts? Was hat es für einen Vorteil, diesen anzunehmen? Kann man ein Objekt immer auf diesen Punkt reduzieren? Du weißt, dass man den Druck in einem Reifen erhöhen kann, indem man Luft hineinpumpt. Aber wodurch kommt dieser eigentlich zu Stande? Stoßen die Gasteilchen einander ab oder hat es einen anderen Grund? Was meinst du, wie schnell sich Luftmoleküle bei Normalbedingungen bewegen? Fülle ein Glas mit Wasser, lege ein Stück Karton darauf und drehe das Ganze um. Wenn du die Hand entfernst, dann rinnt kein Tropfen Wasser aus. Warum? L F1 F2 F3 F4 F5 Gases kommt nur durch die Stöße der Moleküle an die Begrenzungen, in diesem Fall die Reifen, zu Stande. Es ist ähnlich, wie wenn du Kugeln auf einen Karton fallen lässt (siehe Abb. 8.2). Bei einer einzigen Kugel biegt sich der Kar- ton nur kurz nach unten. Wenn du aber viele Kugeln in ho- her Frequenz fallen lässt, dann zittert der Karton bei einer ziemlich konstanten Auslenkung herum. Dieser „Zeigeraus- schlag“ würde dann dem Druck entsprechen. Mit Hilfe eini- ger grundlegender Überlegungen können wir eine Glei- chung für den Druck eines idealen Gases aufstellen. Die SI-Einheit des Druckes ist das Pascal (Pa). Es sind aber auch noch andere Einheiten gebräuchlich (siehe Tab. 8.1). Info: Einteilchen-Gasdruck Formel: Allgemeine Druckgleichung p = F __ A Druck eines idealen Gases p = 2 N ___ 3 V E kin p … Druck [Pa]; F … Kraft [N]; A … Fläche [m 2 ]; N … Anzahl der Teilchen; V …Volumen [m 3 ]; E kin … durchschnittliche kinetische Energie eines Moleküls [J] Der Druck in einem Behälter hängt von der ungeordneten Bewegungsenergie der Teilchen ab. Du siehst, dass sich auch hier das Teilchenkonzept bestens bewährt. Die einzel- nen Moleküle sind aber nicht gleich schnell. Das hat bereits J AMES C LERK M AXWELL 1860 auf theoretischem Wege vorausge- sagt. In Abb. 8.3 siehst du die Geschwindigkeitsverteilung für Stickstoffgas (N 2 ), mit rund 78% der Hauptbestandteil unserer Luft. F Abb. 8.2: Modell zur Entste- hung des Gasdrucks va6zb7 Nur zu Prüfzwecke – Eigentum des Verlags öbv