Gase (Physik): Definition, Eigenschaften & Beispiele

Die Luft, die wir täglich atmen und durch die wir uns bewegen, das Helium in unseren Geburtstagsballons und das Methan zum Heizen sind gängige Beispiele für Gase. Gas ist neben Festkörpern und Flüssigkeiten einer der drei wichtigsten Aggregatzustände.

Die Aggregatzustände unterscheiden sich je nachdem, wie dicht die Teilchen gepackt sind – eine Folge ihrer kinetischen Energie –, was zu unterschiedlichen Eigenschaften führt.

Im festen Zustand ist Materie am dichtesten gepackt. Die Moleküle in einem Festkörper werden durch Atombindungen und Anziehungskräfte zusammengehalten. Infolgedessen schwingen sie an Ort und Stelle, anstatt frei herumzufließen. Volumenkörper haben bestimmte Formen und Volumen und lassen sich nicht leicht komprimieren; das heißt, sie behalten ihre Form ziemlich gut.

Im flüssigen Zustand ist Materie aufgrund schwächerer intermolekularer Bindungen weniger dicht gepackt als in einem Festkörper. Wenn ein Gravitationsfeld vorhanden ist, nimmt eine Flüssigkeit die Form ihres Behälters an; ohne Schwerkraft formt es sich zu Kugelformen.

Im gasförmigen Zustand erfährt Materie schwache Wechselwirkungen mit sich selbst. Partikel können sich ziemlich frei bewegen. Infolgedessen nehmen Gase die Form und das Volumen des Behälters an, in dem sie sich befinden. Öffnen Sie den Ofen nach dem Backen eines Kuchens, und das Gas, das sich darin befand, verteilt sich im ganzen Haus, so dass der Kuchen aus jedem Raum riechen kann.

Der neueste, den Physikern bekannte Zustand der Materie ist Plasma, ein Zustand, in dem die Atome, aus denen die Materie selbst besteht, zerfallen. Plasma tritt nur bei extremen Temperaturen und Drücken auf, wie sie im Zentrum der Sonne vorkommen. Da unter diesen Bedingungen Elektronen von Atomen abgezogen werden, ist ein Plasma am Ende eine Mischung aus freien Elektronen, den übrig gebliebenen positiv geladenen Ionen und neutralen Atomen. Ein Plasma verhält sich verhaltensmäßig wie ein Gas, hat aber aufgrund der Ladungen auch elektromagnetische Eigenschaften.

Materie kann je nach Druck- und Temperaturbedingungen von einem Zustand in einen anderen wechseln. Eine solche Transformation ist als a. bekannt Phasenwechsel. Festes Wasser in Form von Eis beispielsweise schmilzt beim Erhitzen bis zum Siedepunkt zu flüssigem Wasser, das wiederum mit noch mehr Wärme zu Wasserdampf verdampft.

Das Gegenteil von Verdunstung ist Kondensation. Wenn ein Gas kondensiert, wird es flüssig.

Ein Festkörper kann direkt in einen gasförmigen Aggregatzustand übergehen, indem er Sublimation. Sublimation tritt auf, wenn ein Festkörper einen bestimmten Druck unter seinem Tripelpunkt in einem Phasendiagramm hat. Zum Beispiel sublimiert Trockeneis (festes Kohlendioxid) beim Erhitzen auf eine Atmosphäre, im Gegensatz zu "normalem" Eis (Wasser), das beim Erhitzen auf eine Atmosphäre einfach zu Flüssigkeit schmilzt.

Die formale physikalische Beschreibung eines Gases ist eine Substanz, die kein bestimmtes Volumen (auch festes Volumen genannt) oder eine bestimmte Form hat. Stattdessen nimmt ein Gas die Form seines Behälters an, weil sich Gasmoleküle frei aneinander vorbei bewegen können.

Ein berühmtes hypothetisches Problem des herausragenden Teilchenphysikers Enrico Fermi hilft dies zu veranschaulichen. Fermi bat seine Schüler, ungefähr zu schätzen, wie viele Moleküle von Caesars sterbendem Atem ein Mensch heute bei jedem seiner Atemzüge erwarten kann. Angenommen, der letzte Atemzug des römischen Kaisers hat sich inzwischen gleichmäßig über den Globus verteilt (und wurde nicht von den Ozean oder Pflanzen), Berechnungen zeigen, dass die heutigen Lebewesen mit jedem von ihnen etwa ein Molekül seines sterbenden Atems einatmen ihre.

Obwohl eine Flüssigkeit auch die Form ihres Behälters annehmen kann, verändert eine Flüssigkeit ihr Volumen nicht ohne Hilfe. Aber ein Gas breitet sich immer aus, um seinen Behälter zu füllen, und kann umgekehrt in einen kleineren Behälter komprimiert werden.

Ein wichtiges Maß zur Beschreibung eines Gases ist Druck. Der Druck eines Gases ist die Kraft pro Flächeneinheit, die das Gas auf seinen Behälter ausübt. Mehr Druck führt zu mehr Kraft und umgekehrt.

Zum Beispiel fühlt sich ein auf einen hohen Druck aufgepumpter Fahrradreifen von außen gelehrt und hart an. Ein Niederdruckreifen hingegen übt weniger Kraft nach außen aus und fühlt sich dadurch flotter und weicher an.

Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Gases ist seine Temperatur. Die Temperatur eines Gases ist als Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül im Gas definiert. Da alle Moleküle schwingen, haben sie alle eine gewisse kinetische Energie.

Sowohl Druck als auch Temperatur werden benötigt, um festzustellen, ob der Aggregatzustand gasförmig ist. Einige Materialien sind nur bei hohen Temperaturen Gase, während andere bei niedrigen Temperaturen oder Raumtemperatur Gase sind. Inzwischen sind einige Materialien bei hohen Temperaturen nur Gase und niedrige Drücke. Ein Phasendiagramm zeigt den Aggregatzustand eines Stoffes bei verschiedenen Temperatur- und Druckkombinationen.

Gase sind in der Welt um uns herum im Überfluss vorhanden. Kohlendioxid, ein verbreitetes Treibhausgas, wird bei der Verbrennung von Treibstoff freigesetzt, um viele der gegenwärtigen Aktivitäten der Menschheit anzutreiben. Wenn flüssiges Wasser verdampft, wird es zu Dampf oder Wasserdampf – ein Vorgang, der auf Herdplatten und in Pfützen draußen unter der Sonne abläuft.

Das als Luft bekannte Gasgemisch – das typischerweise aus 78 Prozent Stickstoff, 21 Prozent Sauerstoff und 1 Prozent besteht andere Gase – umgibt alle terrestrischen Lebewesen und tauscht sich mit ihren Körpern über die Atemwege aus System. Beim Atmen entziehen viele Tiere der Luft Sauerstoff und scheiden Kohlendioxid aus ihrem Körper aus, während viele Pflanzen das Gegenteil tun, indem sie Kohlendioxid aufnehmen und Sauerstoff abgeben.

Um das Verhalten von Gasen besser erklären zu können, schätzen Physiker gerne, wie sich die Gase verhalten würden, wenn sie aus vielen bestehen würden Punktteilchen, die sich geradlinig bewegen und keine intermolekularen Kräfte erfahren – mit anderen Worten, ohne mit einem zu interagieren Ein weiterer.

Natürlich ist kein Gas eigentlich ideal, aber wenn man bedenkt, wie ein Gas würde Handeln unter einer solchen Beschreibung, können Physiker mehrere einfache Gesetze über gasförmige Eigenschaften zu einem zusammenfassen: dem idealen Gasgesetz.

• Das ideale Gasgesetz lautet PV = nRT, wo P ist Druck, V ist Volumen, nein ist die Molzahl des Gases, R ist die Gaskonstante und T ist die Temperatur.

Insbesondere wird das ideale Gasgesetz von vier einfacheren Gasgesetzen abgeleitet, die Teile der Beziehungen im kombinierten Gasgesetz zeigen. Sie sind:

• Boyles Gesetz: Der Druck eines Gases ist umgekehrt proportional zu seinem Volumen bei konstanter Temperatur und Gasmenge.
• Charles' Gesetz: Volumen und Temperatur eines Gases sind proportional, wenn der Druck konstant gehalten wird.
• Avogadro-Gesetz: Das Volumen eines Gases ist proportional zur Gasmenge, wenn Druck und Temperatur konstant sind.
• Amontons Gesetz: Druck und Temperatur eines Gases sind proportional, solange Menge und Volumen des Gases konstant gehalten werden.