Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Das ideale Gasgesetz
- Was ist, wenn ein Gas nicht ideal ist?
- Wie der Druck von der Temperatur abhängt
Im Gegensatz zu Molekülen in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff können sich die Moleküle in einem Gas in dem Raum, in dem Sie sie einschließen, frei bewegen. Sie fliegen herum, kollidieren gelegentlich miteinander und mit den Containerwänden. Der kollektive Druck, den sie auf die Behälterwände ausüben, hängt von der Energiemenge ab, die sie haben. Sie beziehen Energie aus der Wärme in ihrer Umgebung. Wenn die Temperatur steigt, steigt auch der Druck. Tatsächlich hängen die beiden Größen durch das ideale Gasgesetz zusammen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
In einem starren Behälter ändert sich der von einem Gas ausgeübte Druck direkt mit der Temperatur. Wenn der Behälter nicht starr ist, variieren sowohl das Volumen als auch der Druck mit der Temperatur gemäß dem idealen Gasgesetz.
Das ideale Gasgesetz
Das ideale Gasgesetz, das über einen Zeitraum von Jahren durch die experimentelle Arbeit einer Reihe von Personen abgeleitet wurde, folgt aus dem Boyles-Gesetz und dem Charles- und Gay-Lussac-Gesetz. Ersteres besagt, dass bei einer gegebenen Temperatur (T) der Druck (P) eines Gases multipliziert mit dem Volumen (V), das es einnimmt, eine Konstante ist. Letzteres sagt uns, dass wenn die Masse des Gases (n) konstant gehalten wird, das Volumen direkt proportional zur Temperatur ist. In seiner endgültigen Form lautet das ideale Gasgesetz:
PV = nRT, wobei R eine Konstante ist, die als ideale Gaskonstante bezeichnet wird.
Wenn Sie die Masse des Gases und das Volumen des Behälters konstant halten, sagt Ihnen diese Beziehung, dass der Druck direkt mit der Temperatur variiert. Wenn Sie verschiedene Werte für Temperatur und Druck grafisch darstellen, ist das Diagramm eine gerade Linie mit einer positiven Steigung.
Was ist, wenn ein Gas nicht ideal ist?
Ein ideales Gas ist eines, bei dem angenommen wird, dass die Partikel perfekt elastisch sind und sich nicht gegenseitig anziehen oder abstoßen. Außerdem wird angenommen, dass die Gaspartikel selbst kein Volumen haben. Während kein echtes Gas diese Bedingungen erfüllt, kommen viele nahe genug, um es zu ermöglichen, diese Beziehung anzuwenden. Sie müssen jedoch reale Faktoren berücksichtigen, wenn der Druck oder die Masse des Gases sehr hoch oder das Volumen und die Temperatur sehr niedrig werden. Für die meisten Anwendungen bei Raumtemperatur liefert das ideale Gasgesetz eine hinreichende Annäherung an das Verhalten der meisten Gase.
Wie der Druck von der Temperatur abhängt
Solange das Volumen und die Masse des Gases konstant sind, wird das Verhältnis zwischen Druck und Temperatur zu P = KT, wobei K eine Konstante ist, die sich aus dem Volumen, der Anzahl der Mol Gas und der idealen Gaskonstante ergibt. Wenn Sie ein Gas, das die idealen Gasbedingungen erfüllt, in einen Behälter mit starren Wänden geben, so dass sich das Volumen nicht ändern kann, den Behälter verschließen und den Druck an den Behälterwänden messen, wird er mit abnehmender Temperatur sinken. Da diese Beziehung linear ist, benötigen Sie nur zwei Messwerte für Temperatur und Druck, um eine Linie zu ziehen, aus der Sie den Druck des Gases bei einer bestimmten Temperatur extrapolieren können.
Diese lineare Beziehung bricht bei sehr niedrigen Temperaturen zusammen, wenn die unvollständige Elastizität der Gasmoleküle wichtig genug wird, um die Ergebnisse zu beeinflussen. Der Druck nimmt jedoch immer noch ab, wenn Sie die Temperatur senken. Die Beziehung ist auch nichtlinear, wenn die Gasmoleküle groß genug sind, um eine Einstufung des Gases als ideal auszuschließen.