Wissenschaftliche Experimente zur kinetischen molekularen Theorie von Gasen

Nach der kinetischen Molekültheorie besteht ein Gas aus einer großen Anzahl winziger Moleküle, die alle in ständiger, zufälliger Bewegung miteinander und dem Behälter, der sie enthält, kollidieren. Druck ist das Nettoergebnis der Kraft dieser Kollisionen gegen die Behälterwand, und die Temperatur bestimmt die Gesamtgeschwindigkeit der Moleküle. Mehrere wissenschaftliche Experimente veranschaulichen die Beziehungen zwischen Temperatur, Druck und Gasvolumen.

Flüssigstickstoff ist ein kostengünstiges Flüssiggas, das von den meisten industriellen Schweißfachhändlern erhältlich ist; seine extrem niedrige Temperatur ermöglicht es Ihnen, mehrere Prinzipien der kinetischen Molekulartheorie auf dramatische Weise zu demonstrieren. Obwohl es relativ sicher ist, erfordert die Arbeit damit die Verwendung von kryogenen Handschuhen und Schutzbrillen. Besorgen Sie sich ein paar Liter flüssigen Stickstoff und einen offenen Styroporbehälter wie einen Picknickkühler. Blasen Sie einen Partyballon auf und binden Sie ihn fest. Gießen Sie den flüssigen Stickstoff in den Behälter und platzieren Sie den Ballon auf der Flüssigkeit. In wenigen Augenblicken werden Sie sehen, wie der Ballon merklich schrumpft, bis er vollständig entleert ist. Die extreme Kälte verlangsamt die Moleküle im Gas, wodurch auch Druck und Volumen reduziert werden. Nehmen Sie den Ballon vorsichtig aus dem Behälter und stellen Sie ihn auf den Boden. Wenn es sich erwärmt, dehnt es sich auf seine frühere Größe aus.

Wenn Sie das Volumen eines Gasbehälters langsam ändern, ändert sich auch der Druck, aber die Temperatur bleibt konstant. Um dies zu demonstrieren, benötigen Sie eine luftdichte Spritze mit Milliliter-Markierung und ein Manometer. Ziehen Sie zuerst die Spritze heraus, sodass der Kolben an seiner höchsten Markierung steht. Notieren Sie den Druckmesswert und das Spritzenvolumen. Drücken Sie den Spritzenkolben um 1 Milliliter hinein und notieren Sie den Druck und das Volumen. Wiederholen Sie den Vorgang einige Male. Wenn Sie für jede Messung das Volumen mit dem Druck multiplizieren, sollten Sie das gleiche numerische Ergebnis erhalten. Dieses Experiment veranschaulicht das Boyle-Gesetz, das besagt, dass bei konstanter Temperatur auch das Produkt aus Druck und Temperatur konstant ist.

Ein Kompressionszünder ist ein Demonstrationsgerät, das aus einem Kolben in einem geschlossenen transparenten Zylinder besteht. Wenn Sie ein Stück Seidenpapier in den Zylinder legen und die Kappe aufschrauben, dann mit der Hand auf den Kolbengriff schlagen, wird die Luft im Inneren schnell komprimiert. Dies führt zu einem Zustand, der als adiabatische Erwärmung bezeichnet wird: Plötzlich wird die Luft in einem kleineren Raum eingeschlossen, und die Luft wird heiß genug, um das Papier zu entzünden.

Ein Apparat mit konstantem Volumen besteht aus einem Metallkolben, an dem ein Manometer angebracht ist. Der Kolben enthält Luft mit einem Druck von 14,7 PSI. Mit diesem Gerät können Sie den Druck abschätzen, wenn die Temperatur absolut Null ist. Dazu benötigen Sie drei Behälter: einen mit kochendem Wasser, einen mit Eiswasser und einen dritten mit flüssigem Stickstoff. Tauchen Sie die Metallbirne in das Heißwasserbad und warten Sie einige Minuten, bis sich die Temperatur stabilisiert hat. Notieren Sie den auf dem Messgerät angezeigten Druck zusammen mit der Temperatur in Kelvin – 373. Als nächstes legen Sie die Glühbirne in das Eiswasserbad und notieren erneut den Druck und die Temperatur, 273 Kelvin. Wiederholen Sie dies mit dem flüssigen Stickstoff bei 77 Kelvin. Markieren Sie mit Millimeterpapier die aufgenommenen 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 schneidet und den Druck anzeigt, wenn die Temperatur null Kelvin beträgt.