Physik der Oberstufe

Boyles Gesetz, Charles' Gesetz und G. Lussacs Gesetz

Boyle-Mariotte Gesetz

Robert Boyle (1627‐1691) melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan kuantitatif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, Ia menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas bertambah. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Boyle-Mariotte GesetzMathematisch:

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Die kinetische Gastheorie besagt, dass jeder Stoff aus Atomen oder Molekülen besteht, die sich in ständiger, ungeordneter Bewegung befinden. Diese Annahme der kinetischen Theorie beschreibt die Beschaffenheit und die Bedingungen der Atome oder Moleküle in einem Gas. Die Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen sind sehr schwach, sodass sie sich frei bewegen können.

Bewegte Atome oder Moleküle besitzen eine Geschwindigkeit. Sie haben auch Masse. Aufgrund ihrer Masse (m) und Geschwindigkeit (v) besitzen sie kinetische Energie (ΔK) und Impuls (p). Kinetische Energie : ΔK = ½ mv² ^. Impuls : p = mv. Neben kinetischer Energie und Impuls wirkt auch eine Kraft (F). Bei freier Bewegung kommt es zwangsläufig zu Kollisionen. Die Kraft entsteht durch die Impulsänderung bei einer Kollision. Erinnern Sie sich noch einmal an die Ausführungen zu Impuls und Impulserhaltung. Kinetische Energie, Impuls und Impulskraft bilden den Kern unserer Betrachtungen im Bereich der Dynamik (Newtonsche Gesetze, Impuls und Impulserhaltung). Man kann sagen, dass die kinetische Gastheorie die Prinzipien der Dynamik auf der Ebene der Atome oder Moleküle anwendet, aus denen Gase bestehen.

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Mittlere kinetische Energie des Gases

Neben dem Druck ist die Temperatur (T) eine der Größen, die die makroskopischen Eigenschaften eines Gases beschreiben. Die im Rahmen der kinetischen Gastheorie hergeleitete Gasdruckgleichung lautet wie folgt:

Die im Abschnitt über das ideale Gasgesetz hergeleitete Gleichung lautet erneut:

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In der Erdatmosphäre gibt es kein freies Helium und keinen freien Wasserstoff. Sie besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78 %), Sauerstoff (21 %), Argon (0,9 %), Kohlendioxid usw. Die Venusatmosphäre besteht fast vollständig aus Kohlendioxid (CO₂ ₎ . Jupiters Atmosphäre enthält viel freies Helium und Wasserstoff. Der Mond besitzt keine Atmosphäre. Warum ist die Atmosphäre jedes Planeten so unterschiedlich? Warum gibt es in der Erdatmosphäre kein freies Helium und keinen freien Wasserstoff?

Quadratischer Mittelwert der Geschwindigkeit

Die mittlere quadratische Geschwindigkeit (v_{rms  )} lässt sich herleiten , indem man die Gleichungen für Temperatur und kinetische Energie in translatorische Gleichungen umwandelt.

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Der Gleichverteilungssatz der Energie wurde von Clerk Maxwell mithilfe der statistischen Mechanik theoretisch hergeleitet. Er wird als Satz bezeichnet, da er nicht experimentell bewiesen werden kann. Gleichverteilung der Energie bedeutet die gleichmäßige Verteilung der Energie.

Die translatorische kinetische Energie stammt aus der Translationsbewegung, die drei Geschwindigkeitskomponenten besitzt: die x-, die y- und die z-Achse. Diese drei Geschwindigkeitskomponenten erklären die Zahl 3 in der obigen Gleichung. Jede Geschwindigkeitskomponente wird als Freiheitsgrad bezeichnet. Da es drei Geschwindigkeitskomponenten gibt, besitzt die translatorische kinetische Energie drei Freiheitsgrade.

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Bei genauer Betrachtung ist der Rauch des Verbrannten zunächst noch sichtbar. Nach einer Weile ist er unsichtbar. Kennen Sie das? Selbst wenn Sie Parfüm in Ihrem Zimmer versprühen, können andere den Duft noch außerhalb des Hauses wahrnehmen. Genauso ist es, wenn Ihre Mutter ein leckeres Essen zubereitet – der Duft ist bis zu den Nachbarn zu riechen. Warum ist das so?

Diffusion verstehen

Es gibt viele weitere Beispiele. Gibt man ein paar Tropfen Tinte oder Lebensmittelfarbe in ein Glas klares Wasser, verteilen sich diese gleichmäßig. Das geschieht automatisch. Die genannten Beispiele sind Diffusionsvorgänge, die wir häufig im Alltag beobachten. Diffusion ist der Prozess, bei dem sich Moleküle eines Stoffes von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration bewegen. Konzentration bezeichnet die Anzahl der Moleküle/Mol eines Stoffes pro Volumeneinheit. An einem Ort hoher Konzentration befinden sich viele Moleküle eines Stoffes pro Volumeneinheit. Umgekehrt befinden sich an einem Ort niedriger Konzentration wenige Moleküle pro Volumeneinheit.

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Luftfeuchtigkeit bezeichnet den Anteil an Wasserdampf in der Luft. Bei Regen ist die Luft sehr feucht, da sie viel Wasserdampf enthält. Umgekehrt ist die Luft sehr trocken, wenn sie wenig oder gar keinen Wasserdampf enthält. Der Wasserdampfgehalt der Luft wird als relative Luftfeuchtigkeit angegeben.

Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks zum Sättigungsdampfdruck von Wasser bei einer bestimmten Temperatur (hier ist mit Wasserdampf Wasserdampf gemeint). Die relative Luftfeuchtigkeit wird in Prozent angegeben und mathematisch wie folgt formuliert:

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15 Beispiele für Probleme mit elektrischen Schaltkreisen

1. Schau dir das Bild an!

Wenn R₁ ₌ 6 Ω, R₂ ₌ R₃ ₌ 2 Ω und die Potentialdifferenz 14 Volt beträgt, dann ist die Stärke des fließenden Stroms...

A. 7 A

B. 6 A

C. 2 A

D. 1 A

Diskussion

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Definition von Sieden

Sieden ist der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Es findet statt, wenn der Sättigungsdampfdruck dem Luftdruck entspricht (Luftdruck = Atmosphärendruck). Hier betrachten wir nur das Sieden von Wasser. Der Sättigungsdampfdruck von Wasser ist direkt proportional zur Wassertemperatur: Je höher die Wassertemperatur, desto höher der Sättigungsdampfdruck. Beim Erhitzen von Wasser bilden sich üblicherweise kleine Bläschen am Boden des Gefäßes. Das Vorhandensein von Bläschen zeigt den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand an. Ist der Sättigungsdampfdruck in der Blase geringer als der Luftdruck, schrumpft die Blase und kollabiert, bevor sie die Oberfläche erreicht. Die Blase kollabiert, weil die Druckkraft der Außenluft größer ist als die Druckkraft des Wasserdampfs in der Blase. Da der Luftdruck höher ist als der Dampfdruck in der Blase, wirkt die Außenluft mit größerer Kraft (P = F/A).

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Kinetische Theorie

Der Verdunstungsprozess lässt sich mithilfe der kinetischen Gastheorie erklären. Wie Gasteilchen bewegen sich auch Wassermoleküle. Der Unterschied besteht darin, dass sich Wassermoleküle nicht trennen können, da die Anziehungskräfte zwischen ihnen sie zusammenhalten. Im Gegensatz dazu sind die Anziehungskräfte zwischen Gasteilchen sehr schwach, sodass Gasteilchen nicht aneinanderhaften können. Wassermoleküle bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Einige Wassermoleküle sind sehr schnell, andere hingegen sehr langsam. Die Geschwindigkeitsverteilung der Wassermoleküle ähnelt der Maxwell-Verteilung.

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