Praktische Anwendungen für Gasgesetze

Im Laufe der Jahrhunderte haben Wissenschaftler Gesetze entdeckt, die erklären, wie sich Eigenschaften wie Volumen und Druck auf das Verhalten von Gasen auswirken. Sie werden täglich Zeuge der realen Anwendung von mindestens einem dieser Gesetze – dem Boyle-Gesetz –, vielleicht ohne jemals zu wissen, dass Sie wichtige wissenschaftliche Prinzipien in Aktion beobachten.

Nach dem Charles-Gesetz ist die Volumenzunahme proportional zur Temperaturerhöhung, wenn Sie eine feste Gasmenge bei konstantem Druck erhitzen. Demonstrieren Sie dieses Gesetz, indem Sie beobachten, wie ein aufgeblasener Fußball, der drinnen war, kleiner wird, wenn Sie ihn an einem kalten Tag nach draußen bringen. Propanverteiler nutzen das Gesetz von Charles, indem sie die Temperatur auf -42,2 Grad senken Celsius (-44 Fahrenheit) – eine Aktion, die Propan in eine Flüssigkeit umwandelt, die leichter zu transportieren ist und Geschäft. Propan verflüssigt sich, weil bei sinkender Temperatur die Moleküle des Gases näher zusammenrücken und das Volumen abnimmt.

Das Daltonsche Gesetz besagt, dass der Gesamtdruck einer Gasmischung gleich der Summe aller in der Mischung enthaltenen Gase ist, wie in der folgenden Gleichung gezeigt:

Dieses Beispiel geht davon aus, dass nur zwei Gase in der Mischung vorhanden sind. Eine Folge dieses Gesetzes ist, dass Sauerstoff 21 Prozent des Gesamtdrucks der Atmosphäre ausmacht, da er 21 Prozent der Atmosphäre ausmacht. Menschen, die in große Höhen aufsteigen, erleben das Daltonsche Gesetz, wenn sie versuchen zu atmen. Wenn sie höher steigen, nimmt der Partialdruck des Sauerstoffs ab, während der atmosphärische Gesamtdruck gemäß dem Daltonschen Gesetz abnimmt. Sauerstoff kann nur schwer in den Blutkreislauf gelangen, wenn der Partialdruck des Gases abnimmt. Hypoxie, ein ernstes medizinisches Problem, das möglicherweise zum Tod führt, kann auftreten, wenn dies geschieht.

Amadeo Avogadro machte 1811 interessante Vorschläge, die heute das Gesetz von Avogadro formulieren. Es besagt, dass ein Gas die gleiche Anzahl von Molekülen enthält wie ein anderes Gas mit gleichem Volumen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck. Das heißt, wenn man die Moleküle eines Gases verdoppelt oder verdreifacht, verdoppelt oder verdreifacht sich das Volumen, wenn Druck und Temperatur konstant bleiben. Die Massen der Gase sind nicht gleich, da sie unterschiedliche Molekulargewichte haben. Dieses Gesetz besagt, dass ein Luftballon und ein identischer Heliumballon nicht gleich wiegen weil Luftmoleküle – hauptsächlich bestehend aus Stickstoff und Sauerstoff – mehr Masse haben als Helium Moleküle.

Robert Boyle untersuchte auch die faszinierenden Beziehungen zwischen Volumen, Druck und anderen Gaseigenschaften. Nach seinem Gesetz ist der Druck eines Gases mal sein Volumen eine Konstante, wenn das Gas wie ein ideales Gas funktioniert. Dies bedeutet, dass der Druck mal Volumen eines Gases in einem Moment gleich seinem Druck mal Volumen in einem anderen Moment ist, nachdem Sie eine dieser Eigenschaften angepasst haben. Die folgende Gleichung veranschaulicht diesen Zusammenhang:

In idealen Gasen umfasst die kinetische Energie die gesamte innere Energie des Gases und eine Temperaturänderung tritt auf, wenn sich diese Energie ändert. (Ref. 6, erster Absatz zu dieser Definition). Die Prinzipien dieses Gesetzes berühren mehrere Bereiche im wirklichen Leben. Wenn Sie beispielsweise einatmen, erhöht Ihr Zwerchfell das Volumen Ihrer Lunge. Das Boyle-Gesetz besagt, dass der Lungendruck abnimmt, wodurch der atmosphärische Druck die Lunge mit Luft füllt. Beim Ausatmen passiert das Umgekehrte. Eine Spritze füllt sich nach dem gleichen Prinzip, zieht an ihrem Kolben und das Volumen der Spritze nimmt zu, was zu einem entsprechenden Druckabfall im Inneren führt. Da die Flüssigkeit atmosphärischen Druck hat, fließt sie in den Niederdruckbereich innerhalb der Spritze.