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Gas: Druck, Volumen und Temperatur
Welche der folgenden Aussagen beschreibt die Beziehung zwischen dem Volumen und der Temperatur eines Gases?
Michael und Leon spielen Tischtennis. Ups! Ich bin auf den Ball getreten. Schau mal, er hat eine Beule. Wir können damit nicht spielen, er ist kaputt!
Also so richtig kaputt ist der Ball nicht, nur das Plastik ist verbeult – da ist kein Loch, sodass die Luft immer noch drin ist. Oh, ich weiß, wie man das wieder hinkriegt! Wir müssen ihn nur in heißes Wasser legen! Leon hat Recht, das Erhitzen des verbeulten Balls kann ihn reparieren. Aber wie funktioniert das?
Das funktioniert wegen des Zusammenhangs zwischen Druck, Volumen und Temperatur des Gases, mit dem der Ball gefüllt ist. Nehmen wir uns zuerst Volumen und Temperatur vor. Der Ping-Pong-Ball ist eine Plastikkugel, die eine bestimmte Menge Luft enthält. Die Luft kann nicht in den Ball rein und auch nicht raus. Wenn man den verbeulten Ball in heißes Wasser legt, erwärmt sich die Luft im Ball und dehnt sich aus.
Die sich ausdehnende Luft nimmt mehr Raum ein, sodass sie gegen die Innenseite des Balls drückt und dadurch das verbeulte Plastik nach außen drückt. Das macht den Ball wieder rund. Der Zusammenhang zwischen Volumen und Temperatur eines Gases wird als Gesetz von Charles bezeichnet. Nach diesem Gesetz ist das Verhältnis von Volumen zu Temperatur in einer bestimmten Gasmenge konstant, wenn der Druck konstant ist. Das bedeutet, wenn der Druck gleich bleibt, erhöht sich das Volumen einer bestimmten Gasmenge proportional zum Anstieg der Temperatur.
Eine Verringerung der Temperatur führt hingegen zu einer proportionalen Verringerung des Volumens. Okay, wir wissen jetzt, wie Temperatur und Volumen zusammenhängen. Wie sieht's mit Temperatur und Druck aus? Dafür brauchen wir ein anderes Beispiel. Hast du bemerkt, dass Sprühdosen, wie Sprühfarben, einen Warnhinweis haben, dass man sie von Wärmequellen fernhalten soll?
Hast du dich jemals gefragt, warum? Sprühdosen enthalten Inhaltsstoffe, die unter hohem Druck stehen. Wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, steigt der Druck in der Dose. Nach einer Weile übt das Gas so viel Druck auf die Wände des Behälters aus, dass er explodiert. Dieses Beispiel zeigt: Wenn das Volumen konstant ist, steigt mit steigender Temperatur auch der Druck.
Der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur eines Gases wird durch das Gesetz von Amontons beschrieben, das auch als Gesetz von Gay-Lussac bezeichnet wird. Dieses Gesetz besagt, dass der Druck eines Gases mit festgelegter Masse und festgelegtem Volumen direkt proportional zur absoluten Temperatur des Gases ist. In anderen Worten, das Verhältnis von Druck zu Temperatur ist konstant, wenn das Volumen konstant ist. Wie sieht es nun mit Druck und Volumen aus? Nehmen wir wieder die Sprühdose.
In der Dose gibt es zwei Hauptbestandteile: ein Gas und einen Farbstoff. Das Gas ist stark komprimiert, sodass es wenig Platz in Anspruch nimmt. Aber wenn du auf die Düse drückst, nimmt der Druck drastisch ab und das Volumen des Gases nimmt zu. Deshalb kann man mit nur einer Sprühdose eine große Fläche bedecken. Dieses Beispiel zeigt, dass die Abnahme des Volumens eines enthaltenen Gases dessen Druck erhöht und dass der Anstieg des Volumens seinen Druck verringert.
Und wenn der Druck sinkt, steigt das Volumen. Dieser Zusammenhang ist im Gesetz von Boyle und Mariotte beschrieben: Das Volumen einer bestimmten Gasmenge bei konstanter Temperatur ist umgekehrt proportional zum Druck, unter dem gemessen wird. Die Zusammenhänge aus den Gesetzen von Charles, Gay-Lussac sowie Boyle und Mariotte sind die drei sogenannten Gasgesetze. Die Gasgesetze können näherungsweise auf alle Gase angewendet werden. Der Ball ist wieder ganz!
Noch ein Spiel, Michael? Klar!