Big Bang HTL 4, Schulbuch

90 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Zusammenfassung Der Druck eines Gases wird durch die elastischen Stöße der Moleküle verursacht und hängt daher von deren kinetischer Energie ab. 8.2 Die drei Gas-Puzzlesteine Gasgesetze für spezielle Bedingungen In diesem Abschnitt geht es um den Zusammenhang zwi- schen Druck, Temperatur und Volumen eines Gases, wenn man jeweils eines davon konstant hält. Wir nehmen für alle Überlegungen eine konstante Teilchenzahl an. 8.2.1 Mikrowellenschwedenbombe Isobare Zustandsänderung ( p = konstant) Die Vorsilbe „iso“ bedeutet gleich. Unter isobar versteht man, dass der Druck eines Gases gleich bleibt. Welcher Zu- sammenhang besteht dann zwischen Temperatur und Volu- men, etwa bei einem Luftballon ( F6 )? Die Druckgleichung liefert die Lösung: p ~ E kin / V. Wenn du die Temperatur er- höhst, dann erhöht sich die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Wenn der Druck im Ballon gleich bleibt, dann muss auch E kin / V gleich bleiben: Der Ballon bläht sich auf. Bei Ab- kühlung ist es genau umgekehrt, und der Ballon zieht sich zusammen. Info: CLIL – Microwave-„Schwedenbombe“ Man kann es sich auch „zu Fuß“ überlegen. Wenn die Tem- peratur steigt, dann steigt der Druck des Gases, und der Ballon dehnt sich aus. Dadurch sinkt der Druck wieder auf den Ausgangswert. Der Ballon ist jetzt aber größer als vor- her. Das Umgekehrte gilt für eine Abkühlung. Wenn man den Zusammenhang zwischen Temperatur und Volumen mit einer exakten Versuchsanordnung misst (also nicht mit einer Schwedenbombe), dann kommt man auf Abb. 8.6. Du siehst drei Linien für drei verschiedene, aber jeweils kon- stant gehaltene Drücke. Kurven, die gleichen Druck anzei- gen, nennt man allgemein Isobare ( F7 ; Abb. 8.8). Z Du stülpst einen unaufgeblasenen Luftballon über eine Flasche. Was passiert mit dem Ballon, wenn du die Flasche in einem Wasserbad erwärmst? Was passiert, wenn du eine Schwedenbombe in die Mikrowelle gibst? Und hast du auch eine Begründung dafür? Auf Wetterkarten sieht man oft die sogenannten Isobaren. Was versteht man darunter? Die Kelvin-Skala ist aus dem Jahre 1848 (siehe Kap. 14.3, NAWI I). Woher konnte man damals schon so genau wissen, wo der absolute Nullpunkt liegt? F6 F7 F8 Abb. 8.6: Zusammenhang zwischen V und T bei gleichem Druck für drei verschiedene Drücke ( p 1 < p 2 < p 3 ): Verdoppelt sich die Temperatur, so verdoppelt sich auch das Volumen. Aus dem Kurvenverlauf kann man folgern, dass es einen absoluten Temperaturnullpunkt geben muss, weil dort das Volumen des idealen Gases null wird – seine Moleküle be- sitzen ja keine Volumen. Ein reales Gas kann natürlich nicht auf Nullvolumen abgekühlt werden, weil es vorher flüssig wird. Bei Stickstoff ist das bei 77K (–196 °C), bei Helium erst bei rund 4K (269 °C) der Fall. Der springende Punkt ist aber der: Obwohl man ein reales Gas nie auf Nullvolumen abküh- len kann, schneiden einander alle theoretischen Isobaren an einem einzigen Punkt. Dort nahm man richtigerweise den absoluten Nullpunkt an, und deshalb waren die iso- baren Zustandsänderungen der Gase eine Grundlage für die Kelvin-Skala ( F8 ). Du siehst in der Grafik, dass sich Tempe- ratur und Volumen linear verhalten. CLIL – Microwave-„Schwedenbombe“ That a gas expands under isobaric conditions when the temperature is increased, you can qualitatively check with a „peeled“ „ Sweden bomb “(something like a chocolate-coated marshmallow) in the microwave oven. When it heats up, it inflates (Fig. 8.7, F6 ) Why? Its filling consists of egg white foam - and has very many air vesicles, which expand when they are heated. It is similar with the balloon . The warming in the water bath expands the air in the bottle and with it the balloon. Fig. 8.7: left: „Schwedenbombe“; right: bottle and balloon. i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv