Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Thermometer Manometer Wärmezufuhr (  ) ( ) p 90.1 In einem Druckgefäß wird Luft er- wärmt. Druck und Temperatur werden abgele- sen und grafisch dargestellt. Den Gasdruck misst man mittels Manometer. p 0 -273 -200 -100 0 100 Temperatur  in°C Druck in 10 Pa p 5 90.2 Gasdruck als Funktion der Temperatur. Durch die Messpunkte wird eine Gerade gelegt. 90.3 S IR W ILLIAM T HOMSON , L ORD K ELVIN OF L ARGS , (1824–1907) gründete das erste britische Physik-Laboratorium. Er war ein vielseitiger Physiker und gilt als einer der Begründer der Thermodynamik. T 0 T p in Pa p 0 p T in K 90.4 Bei konstantem Volumen ist der Druck eines Gases der absoluten Temperatur proportional. Um den Zustand des Gases im Behälter zu beschreiben, benutzt man die folgenden Zustandsgrößen : − die Menge des Gases (Zahl der Teilchen N oder Stoffmenge n in Mol), − die Temperatur T , − das Volumen V , − den Druck p , den das Gas auf die Wände des Behälters ausübt. Wie sich zeigt, sind diese Zustandsgrößen von einander abhängig: Wird eine dieser Größen geändert, ändert sich mindestens eine weitere Größe. Die Zustandsglei- chung drückt die gegenseitigen Abhängigkeiten von Temperatur, Druck und Volu- men aus. (Die Stoffmenge bleibt bei physikalischen Prozessen gleich, bei chemi- schen Reaktionen ändert auch sie sich.) a Abhängigkeit des Gasdrucks von der absoluten Temperatur Wie ändert sich der Druck, wenn man die Temperatur verändert, aber das Volumen konstant hält? Prozesse dieser Art nennt man isochor . ( 90.1 ) zeigt eine einfache Versuchsanordnung. Der folgende Experimentiervorschlag nutzt Gegenstände aus dem Haushalt. Experiment: Zustandsänderung bei konstantem Volumen 90.1 E 2 Du brauchst: ein luftdicht verschließbares Einsiedeglas, ein Dosenbarometer und ein kleines Thermometer (Bimetallthermometer oder elektronisches Thermo- meter). Untersuche den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur einer einge- schlossenen Gasmenge bei gleich bleibendem Volumen. Die Messgeräte werden in das Gefäß gelegt und dieses verschlossen. Die Mess- werte sollen von außen ablesbar sein. Notiere Druck und Temperatur. Kühle das Gefäß im Kühlschrank eine Zeit lang und notiere Temperatur und Druck, während sich das Gefäß wieder erwärmt. In einem Wasserbad kann man auch höhere Tem- peraturen als die Umgebungstemperatur erreichen. Erstelle ein Diagramm und interpretiere das Ergebnis. Aus den Messwerten stellt man fest, dass der Druck eine lineare Funktion der Temperatur ist ( 90.2 ). Verlängert man die Gerade zu negativen Temperaturen, so schneidet sie bei sehr tiefen Temperaturen die Temperaturachse. Nach Präzisionsmessungen liegt der Schnittpunkt bei −273,15 °C , der Druck wird dort null. Bei dieser Temperatur ver- schwindet also die Molekularbewegung: Keine Bewegung, daher kein Druck! Wie man durch Messungen nachweisen kann, gilt dieses Ergebnis für alle Gase in glei- cher Weise. −273,15 °C ist daher die tiefstmögliche Temperatur, sie kann nicht un- terschritten werden. Man bezeichnet sie als den absoluten Nullpunkt . Die tiefstmögliche Temperatur beträgt –273,15 °C. Bei dieser Temperatur, dem absoluten Nullpunkt, verschwindet die thermische Bewegung der Moleküle. Die Existenz eines absoluten Nullpunkts legt die Definition einer neuen Tempe- raturskala, der Kelvin-Skala (s. S. 82, Symbol T ), nahe. Sie unterscheidet sich von der Celsius-Skala (Symbol θ ) um den konstanten Wert 273,15 : Der Gefrierpunkt von Wasser ( θ = 0 °C ) entspricht T = 273,15K . Der absolute Nullpunkt ist eine Grenztemperatur, die man in Experimenten nicht erreichen kann. (Die tiefste bisher erreichte Temperatur beträgt ca. 10 −9 K. ) Mit Hilfe der absoluten Temperatur ergibt sich eine einfache Beziehung zwischen dem Gasdruck und der Gastemperatur, wenn das Volumen konstant gehalten wird. Aus der 90.4 liest man ab: p : p 0 = T : T 0 . Es gilt daher: Bei konstantem Volumen ist der Druck p eines idealen Gases der absoluten Temperatur T proportional: p = const · T . 90 WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv