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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

Isobar: Volumen wächst mit der Temperatur

Untersuche bei konstantem , wie das Volumen einer Gasmenge von der abhängt, und bestimme durch Verlängern der Geraden den absoluten Nullpunkt.

Gemessen

  • — Gasvolumen (in )

    Am frei beweglichen Kolben abgelesen: Es darf sich einstellen, wie das Gas will.

  • — Badtemperatur (in )

    Die unabhängige Variable; für das Gesetz in Kelvin umzurechnen.

Bekannt

  • — Druck (in )

    Der leichtgängige Kolben hält das Gas stets auf Umgebungsdruck: die eingefrorene Größe.

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die Prüfhypothese, das isobare Gasgesetz: V ist proportional zur absoluten Temperatur.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Tauche den Kolbenprober mit 60 ml Luft (Kolben leichtgängig, offener Druckausgleich zur Atmosphäre über den frei gleitenden Kolben) in ein Wasserbad, erwärme es von 20 °C auf 50 °C und miss das Volumen bei drei .

2Vorbetrachtung

Warum der Kolben frei gleiten muss: Konstanter heißt: Das Gas darf sich ausdehnen, ohne gegen wachsenden Widerstand anzukämpfen. Ein leichtgängiger Kolben stellt sich immer so ein, dass innen Umgebungsdruck plus dem winzigen Kolbengewichtsanteil herrscht: Der Druck ist damit „eingefroren“, das Volumen wird zur Messgröße.

Kelvin oder Celsius? Hier entscheidet es sich: „V∼TV \sim T“ kann nicht für Celsius gelten, denn bei 0 °C hat ein Gas offensichtlich nicht null Volumen. Die Proportionalität verlangt eine Skala, deren Null beim wirklichen Nichts liegt. Der Versuch selbst verrät, wo das ist. Trägt man V über der Celsius-Temperatur auf, entsteht eine Gerade, die die Temperaturachse irgendwo im tiefen Minus schneidet. Dort hätte das Gas null Volumen; kälter geht es prinzipiell nicht. Die Messung von drei Punkten zwischen 20 und 50 °C reicht, um diesen Schnittpunkt zu schätzen. Das ist eine Extrapolation über fast 300 Grad, entsprechend grob, aber die Größenordnung muss stimmen.

3Geräte / Stoffe

Kolben vorab auf Leichtgängigkeit prüfen (angetippt muss er schwingen); Prober vollständig unter Wasser, nur die Skala lesbar; erst ablesen, wenn Bad und Anzeige zwei Minuten stabil stehen.

  • 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

Kolbenprober schräg im Wasserbad, frei beweglicher Kolben markiert, Thermometer daneben; V-ϑ-Achsenkreuz mit Gerade, gestrichelt nach links bis zum Schnitt mit der Achse bei −273 °C.

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: V ablesen; Bad auf 35 °C heizen, stabilisieren lassen, V ablesen; dasselbe bei 50 °C; alle Wertepaare sowohl in Celsius als auch in Kelvin notieren.

6Beobachtung

Isobare Messreihe (p=1,00 barp = 1{,}00\ \mathrm{bar}, konstant)
ϑ\vartheta in ∘C\mathrm{^\circ C}TT in K\mathrm{K}VV in ml\mathrm{ml}VT\frac{V}{T} in mlK\mathrm{\tfrac{ml}{K}}
2029360,00,205
3530863,10,205
5032366,10,205

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Der Quotiententest: V/TV/T steht in allen drei Zuständen auf 0,205 ml/K0{,}205\ \mathrm{ml/K}. Das Volumen ist der absoluten proportional: 30 Kelvin mehr (rund 10 Prozent von 293 K) brachten 6,1 ml mehr (rund 10 Prozent von 60 ml). Gay-Lussac ist bestätigt.

Die Gerade zu Ende gedacht: Aus zwei Messpunkten folgt die Steigung 66,1−60,050−20 ml∘C≈0,203 ml∘C\frac{66{,}1 - 60{,}0}{50 - 20}\ \mathrm{\tfrac{ml}{^\circ C}} \approx 0{,}203\ \mathrm{\tfrac{ml}{^\circ C}}. Rückwärts verlängert erreicht die Gerade V=0V = 0 bei

ϑ0≈20 ∘C−60,0 ml0,203 ml∘C≈−275 ∘C\vartheta_0 \approx 20\ \mathrm{^\circ C} - \frac{60{,}0\ \mathrm{ml}}{0{,}203\ \mathrm{\tfrac{ml}{^\circ C}}} \approx -275\ \mathrm{^\circ C}

Drei Schulmesswerte treffen den Literaturwert −273,15 ∘C-273{,}15\ \mathrm{^\circ C} also auf zwei Grad genau. Dort, wo dem idealen Gas das Volumen ausginge, liegt der absolute Nullpunkt. Genau diese Extrapolation machte im 19. Jahrhundert die Kelvin-Skala plausibel, Jahrzehnte vor jeder Teilchenmessung.

Ehrlich gekennzeichnete Grenze: Reale Gase erreichen den Schnittpunkt nie, denn sie verflüssigen sich vorher (Luft bei −196 °C, das Verdampfungs-Experiment rückwärts). Die Gerade beschreibt das ideale Gas: ein Modell, das echte Luft im Messbereich hervorragend trifft und dessen gedachte Verlängerung den Nullpunkt definiert.

8Fazit

Bei konstantem ist das Gasvolumen der absoluten proportional (V/T=0,205 ml/KV/T = 0{,}205\ \mathrm{ml/K} über die ganze Reihe), und die rückwärts verlängerte Gerade schneidet die Achse bei etwa −275 ∘C-275\ \mathrm{^\circ C}. Der absolute Nullpunkt steckt in einer simplen Schulmessreihe.

9Fehlerbetrachtung

Eine Extrapolation über 300 Grad verstärkt jeden kleinen Fehler; deshalb zählt hier Sorgfalt doppelt:

Kolben klemmteher systematisch

Ursache

: Der Innendruck weicht unbemerkt vom Umgebungsdruck ab.

Auswirkung

Das Volumen springt statt zu gleiten; die Gerade wird stufig, die Steigung falsch.

Verbesserung

Kolben vor jeder Ablesung leicht antippen oder drehen.

Gas nicht auf Badtemperatureher systematisch

Ursache

Zu früh abgelesen: Das Innere des Probers hinkt dem Bad nach.

Auswirkung

V zu klein zur jeweiligen ; die Steigung wird zu flach, der Nullpunkt zu tief geschätzt.

Verbesserung

Nach jedem Heizschritt zwei Minuten Stillstand von Bad und Volumenanzeige abwarten.

Kleiner Messbereich, weite Extrapolationeher zufällig

Ursache

30 K Spanne müssen 300 K Verlängerung tragen.

Auswirkung

Wenige Zehntel Milliliter Ablesefehler verschieben den Nullpunkt um zweistellige Gradzahlen.

Verbesserung

Spanne ausreizen (Eiswasser bis 70 °C), mehrere Punkte, Ausgleichsgerade statt Zweipunktrechnung.

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.

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