Zum Inhalt springen
Zurück zu den Experimenten

Die Gasgesetze

SchulversuchWärmelehre / ThermodynamikKlasse 12Vertiefung

Worum geht es?

Der Zustand einer Gasmenge steckt in drei Größen: pp, Volumen VV, TT. Hältst du eine davon fest, verbinden sich die anderen beiden zu einem einfachen Gesetz: p⋅Vp \cdot V konstant (isotherm), V∼TV \sim T (isobar), p∼Tp \sim T (isochor). Alle drei sind Schnitte durch ein einziges übergeordnetes Gesetz, die Zustandsgleichung des idealen Gases, und genau diese Einheit macht der Versuch sichtbar.

Warum macht man dieses Experiment?

Die Gasgesetze sind das Paradebeispiel für kontrolliertes Experimentieren: drei Größen, von denen man je eine einfriert. Diese Methode trägt weit über die Physik hinaus. Inhaltlich liefern sie den Schlüssel zu Luftpumpe, Tauchflasche, Heißluftballon und Autoreifen im Sommer. Und die isobare Gerade zeigt beim Verlängern auf null Volumen den absoluten Nullpunkt; die Kelvin-Skala fällt hier aus einer Messreihe heraus.

Die physikalische Idee

Dreimal derselbe Gedanke am selben Material: Ein Kolbenprober sperrt eine feste Luftmenge ab, ein Digitalmanometer misst pp, ein Wasserbad stellt TT. Variante 1 verschiebt bei Raumtemperatur den Kolben und liest pp zu VV ab. Variante 2 lässt das Gas bei offenem, leichtgängigem Kolben (konstanter ) im Bad expandieren. Variante 3 sperrt das Volumen komplett und heizt: pp steigt mit TT.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Robert Boyle (1662) und Edme Mariotte (1676) fanden das isotherme Gesetz unabhängig voneinander, die erste quantitative Gasphysik überhaupt. Die Temperaturgesetze folgten um 1800 (Gay-Lussac, aufbauend auf Charles und Amontons), und ihre gemeinsame Gerade durch −273 °C brachte Lord Kelvin 1848 auf die absolute Temperaturskala, lange bevor man Teilchen zählen konnte.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Isochor: Druck wächst mit der Temperatur

Prüfe für eine Gasmenge in starrem Gefäß, ob der der absoluten proportional ist.

Gemessen

  • — Absolutdruck (in )

    Die abhängige Größe: Im starren Gefäß kann nur sie auf die Erwärmung antworten.

  • — Badtemperatur (in )

    Die unabhängige Variable, in Kelvin umzurechnen.

Bekannt

  • — Volumen (in )

    Durch den starren Kolben mit Stopfen festgelegt: die eingefrorene Größe.

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die Prüfhypothese: das isochore Gasgesetz (Amontons).Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Verschließe einen Erlenmeyerkolben luftdicht mit dem Drucksensor, erwärme ihn im Wasserbad von 20 °C auf etwa 49 °C und miss den bei drei .

2Vorbetrachtung

Die Vorhersage aus dem : Im starren Gefäß bleibt die Teilchendichte fest; Erwärmen macht die Teilchen nur schneller. Schnellere Teilchen treffen die Wand häufiger und heftiger, der muss also steigen, und zwar proportional zur absoluten , denn diese misst gerade die Bewegungsenergie. Die Erwartung für 293 auf 322 K (rund 10 Prozent mehr): etwa 10 Prozent mehr Druck, von 1,00 auf etwa 1,10 bar.

Warum diese Variante die einfachste ist: Nichts bewegt sich, nichts muss leichtgängig sein, es braucht nur einen Stopfen und einen Sensor. Dafür ist sie die unerbittlichste im Alltag. Geschlossene Gefäße mit Gas darin (Spraydose, Konservenglas, Reifen) haben kein Ventil nach draußen; jede Erwärmung geht voll in den Druck.

3Geräte / Stoffe

Kolben samt Hals vollständig eintauchen (sonst misst ein Teil des Gases die Raumluft); Dichtheit prüfen: Nach kurzem Anwärmen mit der Hand muss der steigen und beim Loslassen exakt zurückkehren.

  • Kolbenprober (100 ml)

    Sperrt die feste Gasmenge ab und macht ihr Volumen ablesbar und einstellbar.

  • Digitalmanometer (Absolutdruck)

    Misst p direkt als Absolutdruck, nicht als Überdruck; sonst stimmen die Produkte und Quotienten nicht.

  • Wasserbad mit Heizplatte und Thermometer

    Stellt die der Gasmenge ein: Wasser umschließt den Prober vollständig und gleichmäßig.

  • Erlenmeyerkolben mit Stopfen

    Starres Gefäß für die isochore Variante: Volumen wirklich konstant.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Erlenmeyerkolben ganz im Wasserbad, Stopfen mit Schlauch zum Drucksensor außerhalb; p-T-Achsenkreuz (T in Kelvin) mit Ursprungsgerade.

Vier Annahmen, und alles Weitere folgt daraus1PunktförmigDie Teilchen sind Punkte, ihr Eigenvolumen zählt nicht.2Keine AnziehungZwischen den Stößen wirkenkeine Kräfte.3Elastische StößeBei jedem Stoß gehtkeine Energie verloren.4RegellosKeine Richtung istvor einer anderen bevorzugt.Keine Annahme stimmt genau, Luft trotzdem auf 1 % genau.Nahe der Verflüssigung versagt es: Annahmen zu grob

Das des Gases: entsteht aus unzähligen Stößen der Teilchen auf die Wände. Mehr Teilchen pro Volumen oder schnellere Teilchen bedeuten mehr Stöße, und genau daraus folgen alle drei Gesetze qualitativ.

Aufbau: Kolbenprober (100 ml) mit dicht angeschlossenem Digitalmanometer (Absolutdruck), großes Wasserbad mit Heizplatte und Thermometer, Stativ; für die isochore Variante ersatzweise Erlenmeyerkolben mit durchbohrtem Stopfen direkt am Drucksensor.

5Durchführung

Startpunkt bei 20 °C ablesen; Bad in zwei Schritten auf 35 °C und 49 °C heizen; nach jedem Schritt zwei Minuten Temperaturausgleich, dann p und ϑ notieren; abschließend abkühlen lassen, wobei der Startdruck wiederkommen muss (Dichtheitsbeweis).

6Beobachtung

Isochore Messreihe (Kolbenvolumen konstant)
ϑ\vartheta in ∘C\mathrm{^\circ C}TT in K\mathrm{K}pp in bar\mathrm{bar}pT\frac{p}{T} in mbarK\mathrm{\tfrac{mbar}{K}}
202931,0003,41
353081,0513,41
493221,0993,41

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Der Quotiententest: p/Tp/T steht auf 3,41 mbar/K3{,}41\ \mathrm{mbar/K} über die ganze Reihe. 10 Prozent mehr absolute brachten 10 Prozent mehr , genau die Teilchenmodell-Vorhersage. Im pp-TT-Diagramm (Kelvin!) liegen die Punkte auf einer Ursprungsgeraden: das isochore Gasgesetz.

Die Zahl im Alltag nachgerechnet: Ein Autoreifen mit 2,5 bar Absolutdruck bei 10 °C (283 K) erreicht auf sommerheißem Asphalt 50 °C (323 K). Dann gilt p=2,5⋅323283 bar≈2,85 barp = 2{,}5 \cdot \frac{323}{283}\ \mathrm{bar} \approx 2{,}85\ \mathrm{bar}: ein Drittel bar nur durch Temperatur. Deshalb „Reifendruck kalt prüfen“. Und dieselbe Gerade, weitergezeichnet, erklärt das Explosionsrisiko einer Spraydose im Feuer: Bei 600 K stünde der doppelte Druck an, mehr, als die Dose hält.

Alle drei Gesetze aus einem Guss: Isotherm (pVpV konstant), isobar (V/TV/T konstant), isochor (p/Tp/T konstant): Alle drei Messreihen dieses folgen aus einer einzigen Gleichung, pVT=const\frac{pV}{T} = \mathrm{const}, je nachdem, welche Größe man festhält. Drei Wasserbäder und ein Kolbenprober haben die Zustandsgleichung des idealen Gases von drei Seiten geprüft und dreimal dieselbe Antwort bekommen.

8Fazit

Bei konstantem Volumen ist der der absoluten proportional (p/T=3,41 mbar/Kp/T = 3{,}41\ \mathrm{mbar/K} über die ganze Reihe): das isochore Gasgesetz, und zusammen mit den beiden anderen Varianten der dreifache Beleg für die eine Zustandsgleichung pVT=const\frac{pV}{T} = \mathrm{const}.

9Fehlerbetrachtung

Der Aufbau ist simpel; die Fehler stecken im Wort „konstant“:

Gasvolumen ragt aus dem Badeher systematisch

Ursache

Kolbenhals oder Schlauchstück bleiben auf Raumtemperatur.

Auswirkung

Ein Teil des Gases macht die Erwärmung nicht mit; p steigt zu schwach, der Quotient driftet.

Verbesserung

Kolben vollständig eintauchen, Schlauch zum Sensor so kurz wie möglich.

Undichter Stopfeneher systematisch

Ursache

Erwärmtes Gas drückt sich am Stopfen vorbei.

Auswirkung

p zu niedrig; der Rückkehrtest nach dem Abkühlen endet unter dem Startdruck.

Verbesserung

Stopfen fetten und sichern; Rückkehrmessung immer als Dichtheitsbeweis werten.

Gefäß dehnt sich miteher systematisch

Ursache

Auch Glas wächst beim Erwärmen (Festkörper-Experiment); V ist nicht perfekt konstant.

Auswirkung

Winzig zu niedriger , bei Glas unter einem Promille: hier vernachlässigbar, aber nennenswert bei Kunststoffgefäßen.

Verbesserung

Starres Glasgefäß statt Kunststoffflasche verwenden.

Das Wichtigste

Isotherm (Boyle-Mariotte)

Bei fester gilt p⋅V=constp \cdot V = \mathrm{const}. Halbes Volumen, doppelter : die Physik jeder Luftpumpe.

Isobar (Gay-Lussac)

Bei festem gilt V∼TV \sim T (T in Kelvin!). Die Volumen-Gerade zielt rückwärts verlängert auf −273 ∘C-273\ \mathrm{^\circ C}, den absoluten Nullpunkt.

Isochor (Amontons)

Bei festem Volumen gilt p∼Tp \sim T. Darum warnt der Reifendruck-Aufkleber „bei kaltem Reifen prüfen“, und darum gehören Spraydosen nicht ins Feuer.

Ein Gesetz dahinter

Alle drei sind Spezialfälle von pVT=const\frac{p V}{T} = \mathrm{const}. Jede Variante friert eine Größe ein und zeigt den Rest der Gleichung.

Wie möchtest du weitermachen?