Artikel Boyles Gesetz, Charles' Gesetz, Gay-Lussac'sches Gesetz
Boyles Gesetz
Robert Boyle (1627–1691) führte Experimente durch, um den quantitativen Zusammenhang zwischen Gasdruck und -volumen zu untersuchen. Dazu füllte er eine bestimmte Menge Gas in einen geschlossenen Behälter. Mit zunehmender Genauigkeit stellte er fest, dass bei konstanter Gastemperatur das Gasvolumen mit steigendem Gasdruck abnimmt. Umgekehrt nimmt das Gasvolumen mit sinkendem Gasdruck zu. Der Gasdruck ist also umgekehrt proportional zum Gasvolumen. Dieser Zusammenhang ist als Boyle-Mariotte-Gesetz bekannt. Mathematisch ausgedrückt:
Das Boyle-Mariotte-Gesetz kann auch so geschrieben werden:
PV = konstant → Gleichung 1
P1 V1 = P2 V2 → Gleichung 2
Die Bedeutung von Gleichung 1 ist, dass sich bei konstanter Temperatur (T) das Volumen (V) des Gases ändert, wenn sich der Druck (P) des Gases ändert.
Das Ergebnis der Multiplikation von Druck und Volumen ist daher stets konstant. Steigt der Gasdruck, sinkt das Gasvolumen, und umgekehrt steigt das Gasvolumen, wenn der Gasdruck sinkt.
Das Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Volumen und Druck darstellt, sieht wie in der Abbildung unten aus. Basierend auf den Ergebnissen des Experiments stellte Robert Boyle fest, dass sich das Gasvolumen unregelmäßig ändert, sodass die Linien im Diagramm gekrümmt erscheinen. Der im Diagramm dargestellte Druck ist der absolute Druck.
Charles' Gesetz
Hundert Jahre nachdem Robert Boyle den Zusammenhang zwischen Volumen und Druck entdeckt hatte, untersuchte der französische Wissenschaftler Jacques Charles (1746–1823) den Zusammenhang zwischen Temperatur und Gasvolumen. Aus den Ergebnissen seiner Experimente schloss er, dass bei konstantem Gasdruck das Gasvolumen mit steigender Gastemperatur zunimmt. Umgekehrt nimmt das Gasvolumen ab, wenn die Gastemperatur sinkt.
Änderungen des Gasvolumens aufgrund von Temperaturänderungen treten regelmäßig auf, sodass die Linien in diesem Diagramm gerade erscheinen. Würde man die Linien bis zu niedrigeren Temperaturen darstellen, würde die Linie die Achse bei etwa -273 schneiden. oC.
Auf Grundlage zahlreicher durchgeführter Experimente wurde festgestellt, dass die Größenordnung der Volumenänderung jedes Gases zwar variiert,
Wenn die Linien im VT-Diagramm zu einer niedrigeren Temperatur gezogen werden, schneidet die Linie die Achse immer um -273. oC. Wir können sagen, dass, wenn das Gas auf -273 abgekühlt wird oWenn die Temperatur bei C liegt, ist das Gasvolumen gleich null. Wenn das Gas erneut abgekühlt wird, bis die Temperatur unter -273 °C liegt, ... oDann wäre das Gasvolumen negativ, was unmöglich ist.
So -273 oC ist die niedrigste erreichbare Temperatur. Da die Gerade die Achse bei etwa -273 schneidet oGemäß der Vereinbarung wurde festgelegt, dass die niedrigste erreichbare Temperatur -273.15 beträgt. oC. -273.15 oDie Temperatur C wird als absoluter Nullpunkt bezeichnet und dient als absolute Bezugsgröße für die Kelvin-Skala. Kelvin ist der Name des britischen Physikers Lord Kelvin (1824–1907). Auf dieser Skala wird die Temperatur in Kelvin (K) angegeben, nicht in Kelvin (K = 0,001).oK) Grad. Der Abstand zwischen den Grad ist derselbe wie auf der Celsius-Skala. 0 K = -273.15 oC und 273.15 K = 0 oC.
Die Temperatur auf der Celsius-Skala kann durch Addition von 273.15 in die Kelvin-Skala umgerechnet werden; die Temperatur auf der Kelvin-Skala kann durch Subtraktion von 273.15 in die Celsius-Skala umgerechnet werden. Mathematisch ausgedrückt:
T (K) = T (oC) + 273.15
T (oC) = T (K) – 273.15
T = Temperatur
K = Kelvin
C = Celsius
Wenn die Temperatur auf der Kelvin-Skala angegeben wird, sieht das obige Diagramm wie das untenstehende Bild aus.
Anhand dieser Grafik lässt sich schließen, dass bei konstantem Druck das Volumen eines Gases stets direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Steigt die absolute Temperatur, so nimmt auch das Gasvolumen zu; sinkt die absolute Temperatur, so nimmt auch das Gasvolumen ab. Dieser Zusammenhang ist als Gesetz von Charles bekannt. Mathematisch ausgedrückt:
Volumen α Temperatur → Konstanter Druck
V α T → P konstant
Die Bedeutung von Gleichung 1 ist, dass bei konstantem Druck (P) sich das Volumen (V) des Gases ändert, wenn sich die absolute Temperatur (T) ändert, sodass das Verhältnis zwischen absoluter Temperatur und Volumen stets konstant bleibt. Steigt die absolute Temperatur des Gases, so nimmt auch sein Volumen zu, und umgekehrt.
Das Volumen des Gases nimmt ebenfalls ab, daher bleibt das Verhältnis von Temperatur zu Volumen konstant. Die absolute Temperatur des Gases wird in Kelvin angegeben. Falls die Temperatur noch in Celsius angegeben ist, muss sie zunächst in Kelvin umgerechnet werden.
Gay-Lussacs Gesetz
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) führte Experimente durch und fand heraus, dass bei konstantem Gasvolumen die absolute Temperatur eines Gases mit steigendem Druck zunimmt. Umgekehrt nimmt die absolute Temperatur ab, wenn der Gasdruck sinkt. Bei konstantem Volumen ist der Gasdruck direkt proportional zur absoluten Temperatur. Diese Beziehung wird als Gay-Lussac-Gesetz bezeichnet. Mathematisch ausgedrückt:
Druck α Temperatur → Konstantes Volumen
P α T → V ist konstant
Die Bedeutung von Gleichung 1 ist, dass bei konstantem Volumen (V) sich die absolute Temperatur (T) des Gases ändert, wenn sich der Druck (P) ändert, wobei das Verhältnis zwischen Druck und absoluter Temperatur konstant bleibt. Anders ausgedrückt: Steigt der Gasdruck, steigt auch die absolute Temperatur des Gases, und umgekehrt sinkt sie.
Die absolute Temperatur des Gases nimmt ebenfalls ab, sodass das Verhältnis zwischen Druck und Temperatur immer konstant ist.
Die absolute Temperatur des Gases ist seine Temperatur, die in Kelvin angegeben wird. Falls die Temperatur noch in Celsius angegeben ist, muss sie zuerst in Kelvin umgerechnet werden.
Bitte beachten Sie, dass das Boyle-Mariotte-Gesetz, das Gesetz von Charles und das Gesetz von Gay-Lussac genaue Ergebnisse liefern, wenn Druck und Dichte des Gases nicht zu hoch sind. Darüber hinaus gelten diese drei Gesetze nur für Gase, deren Temperatur nicht nahe am Siedepunkt liegt.
Daraus lässt sich schließen, dass das Boyle-Mariotte-Gesetz, das Gesetz von Charles und das Gesetz von Gay-Lussac nicht auf alle Gaszustände anwendbar sind. Da sie nicht alle realen Gaszustände abdecken, benötigen wir das Konzept des idealen Gases. Dieses ideale Gas existiert im Alltag nicht. Es ist lediglich ein Idealmodell, ähnlich dem Konzept des idealen starren und flüssigen Körpers. Daher nehmen wir an, dass die drei oben genannten Gasgesetze nur unter allen idealen Gasbedingungen gelten.
Bei der Lösung von Aufgaben zum Gasgesetz muss die Temperatur in Kelvin angegeben werden. Falls der Gasdruck noch als Messdruck angegeben ist, muss er zunächst in den absoluten Druck umgerechnet werden. Absoluter Druck = Atmosphärendruck + Messdruck
