Wissenschaftsexperimente zur kinetischen MolekĂŒltheorie von Gasen

Bekannte physikalische Gesetze regeln den Druck, die Temperatur und das Volumen von Gasen.

GemĂ€ĂŸ der kinetischen Molekulartheorie besteht ein Gas aus einer großen Anzahl von winzigen MolekĂŒlen, die alle in stĂ€ndiger zufĂ€lliger Bewegung sind und miteinander kollidieren, sowie den BehĂ€lter, der sie enthĂ€lt. Druck ist das Nettoergebnis der Kraft dieser Kollisionen gegen die BehĂ€lterwand, und die Temperatur bestimmt die Gesamtgeschwindigkeit der MolekĂŒle. Mehrere wissenschaftliche Experimente veranschaulichen die Beziehungen zwischen Temperatur, Druck und Volumen des Gases.

Ballon in flĂŒssigem Stickstoff

FlĂŒssiger Stickstoff ist ein billiges verflĂŒssigtes Gas, das von den meisten industriellen Schweißverteilern erhĂ€ltlich ist; Seine extrem niedrige Temperatur ermöglicht es Ihnen, verschiedene Prinzipien der kinetischen Molekulartheorie auf dramatische Weise zu demonstrieren. Obwohl es relativ sicher ist, erfordert die Arbeit mit ihm die Verwendung von kryogenen Handschuhen und Schutzbrillen. Besorgen Sie sich ein paar Liter flĂŒssigen Stickstoff und einen offenen StyroporbehĂ€lter wie einen PicknickkĂŒhler. Blasen Sie einen Partyballon auf und binden Sie ihn ab. Gießen Sie den flĂŒssigen Stickstoff in den BehĂ€lter und legen Sie den Ballon auf die FlĂŒssigkeit. In wenigen Augenblicken wird der Ballon merklich schrumpfen, bis er vollstĂ€ndig entleert ist. Die extreme KĂ€lte verlangsamt die MolekĂŒle im Gas, was auch den Druck und das Volumen reduziert. Entferne den Ballon vorsichtig aus dem BehĂ€lter und setze ihn auf den Boden. Wenn es wĂ€rmt, wird es sich zu seiner frĂŒheren GrĂ¶ĂŸe ausdehnen.

Druck und Volumen bei konstanter Temperatur

Wenn Sie das Volumen eines GasbehĂ€lters langsam Ă€ndern, Ă€ndert sich auch der Druck, aber die Temperatur bleibt konstant. Um dies zu demonstrieren, benötigen Sie eine luftdichte Spritze in Millilitern und ein Manometer. Ziehen Sie zuerst die Spritze heraus, so dass der Kolben die höchste Markierung hat. Notieren Sie den Druckmesswert und das Spritzenvolumen. DrĂŒcken Sie den Spritzenkolben um 1 Milliliter und notieren Sie den Druck und das Volumen. Wiederholen Sie den Vorgang ein paar Mal. Wenn Sie das Volumen fĂŒr jeden Messwert mit dem Druck multiplizieren, sollten Sie das gleiche numerische Ergebnis erhalten. Dieses Experiment veranschaulicht das Boyle'sche Gesetz, das besagt, dass bei konstanter Temperatur auch das Produkt aus Druck und Temperatur konstant ist.

KompressionszĂŒnder

Ein KompressionszĂŒnder ist eine Demonstrationsvorrichtung, die aus einem Kolben in einem geschlossenen transparenten Zylinder besteht. Wenn Sie ein StĂŒck Tissue-Papier in den Zylinder legen und die Kappe aufschrauben, dann drĂŒcken Sie den Kolbengriff mit der Hand, die Aktion komprimiert die Luft im Inneren schnell. Dies erzeugt einen Zustand, der adiabatische ErwĂ€rmung genannt wird: Plötzlich in einem kleineren Raum eingeschlossen, wird die Luft heiß genug, um das Papier zu entzĂŒnden.

Absolut Null schÀtzen

Ein GerĂ€t mit konstantem Volumen besteht aus einer Metallbirne mit einem daran befestigten Druckmesser. Die Birne enthĂ€lt Luft mit einem Druck von 14,7 PSI. Mit diesem GerĂ€t können Sie den Druck abschĂ€tzen, wenn die Temperatur absolut Null ist. Dazu benötigen Sie drei BehĂ€lter: einen mit kochendem Wasser, einen weiteren mit Eiswasser und einen dritten mit flĂŒssigem Stickstoff. Tauchen Sie die Metallkugel in das heiße Wasserbad und warten Sie einige Minuten, bis sich die Temperatur stabilisiert hat. Schreiben Sie den auf dem MessgerĂ€t angegebenen Druck zusammen mit der Temperatur in Kelvin - 373 auf. Stellen Sie dann die Birne in das Eiswasserbad und notieren Sie den Druck und die Temperatur, 273 Kelvin. Wiederholen Sie mit dem flĂŒssigen Stickstoff bei 77 Kelvin. Markieren Sie mit Millimeterpapier die aufgezeichneten Punkte mit Druck auf der y-Achse und Temperatur auf der x-Achse. Sie sollten in der Lage sein, eine ziemlich gerade Linie durch die Punkte zu ziehen, die die y-Achse schneiden, um den Druck anzuzeigen, wenn die Temperatur null Kelvin ist.

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