Bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck nimmt ein Gas ein bestimmtes Volumen ein. Unter der Bedingung, dass der Druck konstant bleibt, gilt:
Wenn sich die Temperatur des Gases ändert,
so ändert sich im Allgemeinen auch sein Volumen.
Diese Volumenänderung
ist abhängig
- vom Ausgangsvolumen,
- von der Temperaturänderung,
- vom Stoff, aus dem das Gas besteht.
Bei Erhöhung der Temperatur dehnen sich Gase aus, bei Verringerung der Temperatur ziehen sie sich zusammen.
Bei konstanter Temperatur gilt hingegen, dass das Produkt aus Druck und Volumen des Gases konstant ist.
p ∙V = const (Gesetz von BOYLE und MARIOTTE)
Diese Beziehung gilt aber streng nur für ideale Gase. Bei einem idealen Gas sollen die Teilchen per Definition kein Volumen besitzen und es sollen keine Kräfte zwischen ihnen wirken. Diese Forderungen werden natürlich von keinem Gas exakt erfüllt, aber die Edelgase Helium und Neon sowie Stickstoff und Sauerstoff verhalten sich fast wie ein ideales Gas.
Berechnung der
Volumenänderung
Unter der Bedingung, dass sich ein Gas frei ausdehnen kann und der Druck
in ihm konstant ist, kann die Berechnung
der Volumenänderung folgendermaßen erfolgen:
Die Volumenausdehnungskoeffizienten sind für verschiedene Stoffe unterschiedlich. Für ideale Gase gilt:
Der Volumenausdehnungskoeffizient für Luft beträgt 0,003 67 1/K. Bei einer Temperaturänderung von 1 Kelvin ändert sich das Ausgangsvolumen von Luft um den Faktor 0,003 67. Das erscheint wenig. Beträgt aber z. B. die Temperaturänderung 20 K und das Volumen eines Gases 100 l, so erhält man als Volumenänderung:
Das Volumen ändert sich, konstanten Druck vorausgesetzt, um immerhin 7,2 l.
Bedeutung der Volumenänderung
von Gasen
Die Volumenänderung von Gasen bei Temperaturänderung muss einerseits
in vielen Bereichen beachtet werden.
Andererseits wird sie auch genutzt.
Dabei ist zu beachten, dass sich bei abgeschlossenen Gefäßen
das Volumen nicht ändern kann. Dann erhöht sich bei Erhöhung
der Temperatur der Druck im Gefäß.
Eine Beachtung der Volumenänderung
ist z.B in allen Räumen erforderlich, in denen der Druck näherungsweise
konstant ist. Das ist in einem Wohnraum der Fall. Ändert sich dort
die Temperatur, so ändert sich auch die Volumen der Luft, die sich
im Raum befindet. Je nach der Art der Temperaturänderung strömt
Luft ein oder aus.
Bei Wasserbällen oder Luftmatratzen kann man beobachten, dass sie
sich stärker "aufblasen", wenn sie in der Sonne liegen.
Der Druck in ihnen wird bei Temperaturerhöhung größer.
Das kann im Extremfall bis zum Platzen führen.
Reifen von Fahrzeugen können sich aufgrund ihrer Konstruktion kaum
ausdehnen. In ihnen erhöht sich bei Temperaturerhöhung der Druck.
Deshalb sollte man auch nicht den Luftdruck in einem Reifen nach einer
längeren Fahrt kontrollieren und korrigieren.
Die Nutzung der Volumenänderung
von Gasen erfolgt in unterschiedlicher Weise.
Bei Gasthermometern wird genutzt, dass
sich das Volumen eines abgeschlossenen Gases mit Temperaturerhöhung
vergrößert und mit Verringerung der Temperatur verkleinert.
Genauere Informationen sind unter dem Stichwort "Thermometer"
zu finden.
Auch bei manchen Thermostaten wird die
Volumenänderung von Gasen bei Temperaturänderung genutzt. Bei
Temperaturerhöhung im Raum dehnt sich das Gas im Thermostaten aus.
Das Ventil wird stärker geschlossen. Bei Verringerung der Temperatur
geschieht der umgekehrte Vorgang. Genauere Hinweise zum Aufbau und zur
Wirkungsweise von Thermostaten sind unter dem Stichwort "Thermostat"
zu finden.