Was ist Karls Gesetz?
Das Karlsgesetz beschreibt die Beziehung zwischen Volumen und Temperatur eines Gases. Das Gesetz wurde dem französischen Wissenschaftler Jacques Charles vom ebenfalls französischen Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac gutgeschrieben. Einfach ausgedrückt, wenn der Druck konstant bleibt, ist das Volumen eines Gases geteilt durch seine Temperatur gleich einer Konstanten. Es kann aus der idealen Gasgleichung PV = nRT abgeleitet werden, wobei P der Druck ist, V das Volumen ist, n die Anzahl der Mol Gas ist, R die ideale Gaskonstante ist und T die Kelvin-Temperatur ist. Umschreiben der Gleichung, V / T = (nR / P). Da P konstant ist, ist V / T = (konstant).
Da das Verhältnis gleich einer Konstanten ist, V / T = K, kann eine neue Temperatur und ein neues Volumen für dasselbe Gas als V 1 / T 1 = K geschrieben werden, was zu V / T = V 1 / T 1 führt . Obwohl diese physikalische Beziehung für ein ideales Gas zutrifft, kommt es in der realen Welt zu mathematischen Abweichungen, da Partikelgröße und Wechselwirkungskräfte nicht berücksichtigt wurden. Bei hohen Temperaturen und niedrigem Druck spielt das Partikelvolumen jedoch keine Rolle. In ähnlicher Weise sind Partikel weit voneinander entfernt, da der Druck niedrig ist. Dies verringert die Kraftwechselwirkung zwischen Partikeln, die mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, wodurch sie unbedeutend wird.
Obwohl Karls Gesetz einfach ist, erklärt es viele alltägliche Beobachtungen. Hefe im Teig gibt winzige Kohlendioxidblasen ab. Das Backen dieses Teigs dehnt die Blasen aus und ergibt leichteres und flauschigeres Gebäck. Durch das Erhitzen des Wassers in einem Heizkessel entsteht Dampf, der zum Antreiben von Dampfmaschinen und zum Warmhalten von Klassenzimmern verwendet wird. Der benzinbetriebene Automobilmotor verbrennt Kraftstoff und erzeugt enorme Wärme, die die Verbrennungsgase ausdehnt, um die Kolben anzutreiben, die die Kurbelwelle drehen und das Fahrzeug antreiben.
Karls Gesetz wird auch immer dann demonstriert, wenn eine Person eine Flasche oder eine Dose Bier oder Soda öffnet. Behälter dieser Getränke enthalten unter Druck stehendes Kohlendioxid. Wenn eine Dose oder eine Flasche kalt ist, führt das Öffnen des Deckels zu einer sehr geringen Gasausdehnung. Mit dem gleichen Getränk bei einer heißen Temperatur wird sich Kohlendioxidgas in einem viel größeren Ausmaß ausdehnen. Dies kann dazu führen, dass ein Teil des Inhalts aus der Dose auf den Verbraucher geschossen wird.
Eine andere einfache Anwendung, in der Karls Gesetz etwas Licht ins Dunkel bringen kann, ist das Füllen eines Ballons. Volumen (V), Dichte (D) und Masse (M) befolgen die Beziehung, D = M / V. Neuanordnung ergibt V = M / D. Wenn man dies in das Charles-Gesetz einsetzt, ergibt V / T = (Konstante) M / DT = (Konstante). Diese Gesetzesänderung besagt, dass die Dichte zunimmt, wenn ein Ballon mit Gas gefüllt wird und die Temperatur abnimmt. Wenn der Ballon einen Punkt erreicht, an dem die Außenluft eine ähnliche Dichte wie im Ballon hat, steigt der Ballon nicht weiter auf.