Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Wie brauchbar ist das Modell des idealen Gases? Wann kommen reale Gase dem Modell nahe? Der Modellzustand des idealen Gases wird von einem realen Gas umso besser er- reicht, je mehr Platz den einzelnen Teilchen zur Verfügung steht und desto länger sie sich ohne Stöße bewegen können. Das ist der Fall, wenn der mittlere Abstand der Teilchen viel größer als die Teilchengröße ist. Reale Gase werden flüssig, wenn ihre Temperatur den Siedepunkt unterschreitet. Dabei binden die Kräfte zwischen den Molekülen die vorher frei beweglichen Teilchen. Näherungsweise erreicht da- her das reale Gas den idealen Zustand, wenn es sich möglichst weit vom Siede- punkt entfernt befindet Reale Gase verhalten sich umso genauer wie ideale Gase , je weniger Teilchen pro Volumen enthalten sind und je höher die Temperatur über der Siedetemperatur liegt. Abweichungen vom Modell des idealen Gases sind daher zu erwarten, wenn die Teilchen bei hohem Druck so dicht gepackt sind, dass die Wechselwirkung der Teil- chen und das Teilchenvolumen berücksichtigt werden müssen. Dann sind anstelle des Denkmodells „ideales Gas“ neue, verfeinerte Modelle erforderlich. Viele Gase wie etwa Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, alle Edelgase und auch die Luft kommen in einem großen Temperatur- und Druckbereich dem Modell des idealen Gases nahe. Auch die in Verbrennungsmaschinen benützten Kraft- stoff-Luftgemische können gut mit dem Modell des idealen Gases erfasst werden.  Mittlerer Abstand der Luftmoleküle Die Dichte von Luft beträgt bei 0 °C etwa 1,3 kg/m 3 , ist also viel kleiner als die Dich- te von Wasser mit 1 000 kg/m 3 . Weil sich die Größen der Luftteilchen (zweiatomige Moleküle) und der Wassermoleküle ( H 2 O ) nur wenig unterscheiden, muss jedem Molekül in der Luft etwa 1 000-mal mehr Raum zur Verfügung stehen als im Was- ser. Daraus können wir schließen, dass die Gasmoleküle in der Luft im Mittel etwa 10 Moleküldurchmesser voneinander entfernt sind. Ihr mittlerer Abstand beträgt also rund 5 · 10 −9 m . Für molekulare Verhältnisse sind dies große Entfernungen, weshalb die Kräfte zwischen den Molekülen unmerklich klein sind. Sehen wir von der Wirkung der Schwerkraft ab, so bewegen sich die Gasmoleküle daher so lange geradlinig, bis sie an die Wand des Gefäßes prallen oder mit anderen Molekülen zusammensto- ßen. Wie viele Zusammenstöße erfährt im Durchschnitt ein Teilchen? Man kann be- rechnen, dass jedes Gasmolekül in den unteren Schichten der Lufthülle pro Sekun- de etwa eine Milliarde Stöße erfährt und sich zwischen zwei Stößen um etwa 1 000 Moleküldurchmesser fortbewegt. Die Stöße selbst sind elastisch.  2.2 Die Zustandsgleichung des idealen Gases Schließt man ein Gas in einen Behälter ein, so übt es auf die Gefäßwände einen Druck aus. Unaufhörlich stoßen die einzelnen Gasmoleküle gegen die Wände. Wenn man die Temperatur des Gases erhöht, so nimmt der Druck infolge der hefti- ger werdenden thermischen Bewegung zu. ( 89.1, 89.2 ) Untersuche, überlege, forsche: Gasdruck 89.1 Auf einer Spraydose liest du den Sicherheitshinweis: „Behälter steht unter Druck. Vor Sonnenbestrahlung und Temperaturen über 50 °C schützen.“ W 2 a) Was hat das mit Physik zu tun? S 2 b) Müsste man die Gefahren kennen, die mit dem Kauf verbunden sind? Begründe deine Meinung. Gase dehnen sich im Gegensatz zu Festkörpern und Flüssigkeiten in beliebig große Volumina aus. Will man die Eigenschaften einer bestimmten Menge eines Gases untersuchen, muss man es daher in einen Behälter einschließen. 89.1 Dieses Gerät veranschaulicht die Bewegung von Gasteilchen. Das Gefäß hat Seitenwände aus Glas, ein Motor versetzt den Boden in heftige Schwingungen. Das Gefäß enthält als Molekülmodelle viele kleine Stahl- kugeln, die durch die Bodenbewegungen hoch geschleudert werden und sich ähnlich wie Gasmoleküle verhalten. 89.2 Kurzzeitaufnahme des Modellgases Zeiger Membran Druckdose 89.3 Prinzip eines Dosenmanometers . Die Membran (Deckel der Dose) wird durch Druck gehoben und bewegt einen Zeiger. 89 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzweck n – Eigentum des Verlags öbv