Möglichkeiten, den Druck eines Gases zu erhöhen

Trotz der Tatsache, dass alle Körper, die miteinander in Kontakt kommen, Druck aufeinander ausüben, ist Druck eine physikalische Größe, die wir viel häufiger mit Gasen in Verbindung bringen als mit festen Körpern.

Druck wird in der Physik als Kraft pro Flächeneinheit definiert und ist durch das Verhältnis F/A gegeben. Das bedeutet, dass wir zum Ändern des Drucks nur entweder die Kraft oder die Fläche, auf die die Kraft ausgeübt wird, ändern müssen. Wenn wir beispielsweise den Druck erhöhen wollten, den wir beispielsweise auf die Oberfläche eines Tisches ausüben, könnten wir die Kraft erhöhen (z. B. indem wir mehr Gewicht hinzufügen oder mehr auf den Tisch drücken), wir könnten die Fläche verkleinern, auf der wir wenden die Kraft an (z. B. wenden die Kraft mit der Nagelspitze statt mit der Hand an) oder beides gleichzeitig.

Doch wie können wir den von einem Gas ausgeübten Druck erhöhen? Wie kommt es außerdem, dass Gase, die so ätherisch und formlos sind, Druck auf die Wände der Behälter ausüben können, in denen sie enthalten sind? Das Verständnis dieser Aspekte einer der wichtigsten Eigenschaften von Gasen ist äußerst wichtig, da es uns ermöglicht, viele Phänomene zu verstehen, die wir täglich beobachten können, vom Aufpumpen von Autoreifen bis hin zur Explosion einer versiegelten Dose beim Erhitzen viel, oder sogar das Verhalten des Wetters.

Aus diesem Grund untersuchen wir in diesem Artikel einige grundlegende Aspekte des Drucks von Gasen sowie die drei verschiedenen Möglichkeiten, wie wir den Druck eines Gases erhöhen können.

Wie üben Gase Druck aus?

Jeder, der schon einmal einen Umzug oder eine Sportveranstaltung besucht hat, wie zum Beispiel ein Fußballspiel, bei dem eine riesige Fahne über einer Menschenmenge entfaltet wurde, wird sofort verstehen, wie Gase Druck ausüben.

Gase sind Substanzen, die aus einzelnen Teilchen bestehen, die sich unabhängig voneinander und zufällig in alle Richtungen bewegen. Wenn das Gas in einem geschlossenen Behälter enthalten ist, werden diese Partikel unvermeidlich häufig mit den Wänden des Behälters kollidieren. Jede Kollision eines Gasteilchens mit den Wänden des Behälters ist wie eine Hand, die von unten die Fahne hochdrückt.

Der Punkt ist, dass diese Kollisionen aufgrund der immensen Anzahl von Partikeln, die in jeder Probe eines Gases enthalten sein können, mit einer sehr hohen Frequenz auftreten und eine nahezu konstante Kraft erzeugen, die auf die Oberfläche des Behälters drückt. Dies ist vergleichbar mit dem mehrfachen Anstoßen der Flagge von unten durch die Zuschauer, wodurch die Flagge nicht fallen gelassen, sondern in einem nahezu konstanten Spannungszustand gehalten wird, als wäre sie von unten aufgeblasen.

Faktoren, die den Druck eines Gases und das ideale Gasgesetz beeinflussen

Gase sind die einfachsten Systeme, die die Chemie untersucht. Tatsächlich wird ein sich ideal verhaltendes Gas vollständig durch nur eine Handvoll Variablen charakterisiert, nämlich die Molzahl (n), das Volumen (V), die Temperatur (T) und natürlich den Druck (Q). Diese vier Variablen (genannt Zustandsfunktionen) definieren den Zustand einer Probe eines beliebigen Gases, was bedeutet, dass wir alle über das Gas Bescheid wissen und sein Verhalten in verschiedenen Situationen vorhersagen können, wenn wir sie kennen.

Obwohl wir vier sind, müssen wir in Wirklichkeit nur drei davon kennen, da wir die vierte mithilfe der idealen Gaszustandsgleichung finden können, die auch als ideales Gasgesetz bekannt ist und gegeben ist durch :

Dies bedeutet, dass der Druck eines Gases durch die Werte der anderen drei Variablen bestimmt wird, dh die Anzahl der Mole, die Temperatur und das Volumen, und diese Beziehung kann wie gezeigt durch Isolierung von P aus dem idealen Gasgesetz erhalten werden zeigt unten:

Wie man den Druck eines Gases erhöht

Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, ist der Druck direkt proportional zur Molzahl und zur Temperatur, aber umgekehrt proportional zum Volumen. Dies bedeutet, dass es drei verschiedene Möglichkeiten gibt, den Druck zu erhöhen, und zwar:

Erhöhung der Molzahl des Gases

Die Tatsache, dass der Druck direkt proportional zur Anzahl der Mole ist, bedeutet, dass der Druck umso größer ist, je größer die Anzahl der Mole ist. Dies impliziert, dass eine Möglichkeit, den Druck zu erhöhen, darin besteht, eine größere Menge des Gases in den Behälter zu injizieren, der es enthält. Ein Beispiel dafür ist, wenn wir den Reifen oder Gummi eines Autos, Motorrads oder Fahrrads aufpumpen oder wenn wir einen Basketball aufblasen.

Die Pumpe führt mehr Gaspartikel in den Behälter ein. Aber warum erhöht das den Druck? Um es besser zu verstehen, müssen wir uns daran erinnern, wie Gase Druck ausüben. Der Druck des Gases ist die Folge der mehrfachen Kollisionen zwischen den Gasteilchen und den Wänden des Behälters. Wenn wir mehr Partikel des Gases einführen, erhöht sich die Häufigkeit, mit der diese Partikel mit der Oberfläche kollidieren, und daher erhöht sich der Druck.

Erhöhung der Temperatur

Der Druck ist auch proportional zur Temperatur. Daher steigt mit steigender Temperatur auch der Druck. Eine alltägliche Situation, in der wir dieses Phänomen in Aktion sehen können, ist, wenn wir eine verschlossene Dose überhitzen und sie aufgrund des Druckanstiegs im Inneren platzt.

Um zu verstehen, warum die Temperatur den Druck beeinflusst, müssen wir uns überlegen, was die Temperatur selbst ist. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen, aus denen eine Substanz besteht. Daher impliziert eine Änderung der Temperatur eine Änderung der kinetischen Energie der Teilchen. Da sie ihre Masse nicht ändern können, ändern sie zwangsläufig die Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen.

Wenn sich die Gasteilchen schneller bewegen, passieren zwei Dinge:

• Einerseits steigt die Häufigkeit, mit der die Partikel mit den Wänden kollidieren, da jedes Partikel weniger Zeit benötigt, um von einer Wand zur anderen zu gelangen. Dies hat den gleichen Effekt wie zuvor die Erhöhung der Teilchenzahl.
• Darüber hinaus überträgt jedes Teilchen durch seine schnellere Bewegung bei der Kollision eine größere Menge an kinetischer Energie auf die Wand, was mit anderen Worten heißt, dass es härter auftrifft. Da mehr Kraft mehr Druck bedeutet, nimmt letzterer zu.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Temperaturerhöhung den Druck erhöht, weil sie eine Erhöhung der Anzahl von Kollisionen und auch der Kraft jeder Kollision verursacht.

Reduzierung der Lautstärke

Im Gegensatz zu Temperatur und Molzahl ist die Beziehung zwischen Druck und Volumen umgekehrt. Das bedeutet, je geringer das Volumen, desto höher der Druck. Daher besteht die letzte Möglichkeit, den Druck zu erhöhen, darin, das Volumen zu verringern.

Auch hier hat die Wirkung zwei Ursachen. Das erste ist, dass mit abnehmendem Volumen der Weg, den jedes Partikel nehmen muss, um von einer Wand des Behälters zur anderen zu gelangen, abnimmt, sodass die Nettofrequenz von Kollisionen zunimmt. Darüber hinaus geht die Volumenverringerung im Allgemeinen mit einer Verkleinerung der dem Gas ausgesetzten Oberfläche einher. Erinnern wir uns an die ursprüngliche Definition von Druck, wenn die Fläche abnimmt, nimmt der Druck zu.

Verweise

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