Zusammenhang von Gas und Druck/Temperatur/Volumen

Der gasförmige Zustand ist neben dem festen und flüssigen der 3. Aggregatszustand.

Gas und der Zusammenhang von Druck und Volumen

Für die Untersuchungen von Gasen ist neben dem Volumen selbstverständlich auch der Druck, der auf das Gas wirkt, entscheidend.

Zur Verdeutlichung des Zusammenhangs von Druck und Volumen kann man sich einen Ballon vorstellen, der von der Erde aus in die Atmosphäre gelangt, wobei sich allerdings die Temperatur nicht ändert. Das enthaltene Gas, das auf der Erde ein bestimmtes Volumen eingenommen hat, wird dieses beim Aufsteigen ändern.

Der Grund dafür ist, dass der Druck auf der Erde wesentlich höher ist, als der Druck in höherliegenden Schichten. Sobald der Druck dann fällt, wird sich das Volumen des Gases vergrößern – der Ballon wird also „wachsen“. Durch den geringeren Druck hat das Gas nämlich bildlich gesprochen mehr Platz, den es einnehmen kann, weswegen sich das Volumen vergrößert. Sinkt der Ballon wieder auf die Erde, steigt auch der Druck wieder an. Dementsprechend wird sich das Volumen des Ballons wieder verkleinern.

Dieses Verhalten kann allgemein auf Gase übertragen werden. Bleibt die Temperatur konstant (isotherme Verhältnisse), verhält sich das Volumen einer bestimmten Menge an Gas umgekehrt proportional zum Druck.

Diesen Zusammenhang beschreibt das Boyle‘sche Gesetz:

Gas und der Zusammenhang von Temperatur und Volumen

Neben dem Zusammenhang von Druck und Volumen ist auch zwischen der Temperatur und dem Volumen eine klare Beziehung erkennbar.

Bei der Beziehung pV = const. haben wir die Bedingung gestellt, dass sich die Temperatur nicht ändert. Um die Beziehung von Temperatur und Volumen zu untersuchen, stellen wir nun die Bedingung, dass der Druck konstant bleibt (isobare Verhältnisse).

Als Beispiel für die Beziehung kann man sich einen Ballon vorstellen, der durch Heißluft Auftrieb erlangt. Der Auftrieb kommt dadurch zustande, dass sich die erhitzte Luft innerhalb des Ballons wesentlich stärker ausdehnt als die kühlere Umgebungsluft. Dadurch ist auch die Dichte im Ballon geringer und er erhält Auftrieb.

Ähnlich ist es mit einem Stück Styropor, das unter Wasser getaucht wird. Auch hier ist die Dichte im Styropor wesentlich geringer als die der Wasserumgebung. In Folge dieser Dichtedifferenz wird das Styroporteil aufsteigen.

Die Beziehung zwischen Volumen und Temperatur ist positiv linear.

In einem Koordinatensystem mit dem Volumen in Abhängigkeit der Temperatur würde sich also eine gerade Linie abzeichnen. Das 1. Gesetz von Gay-Lussac oder Charles’sches Gesetz beschreibt diese Beziehung, in der das proportionale Verhältnis von Volumen und Temperatur gezeigt wird.