Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

Heim » Charles' Gesetz (Vol-Temp-Gesetz)

Charles' Gesetz (Vol-Temp-Gesetz)

1802

Jacques Charles
Joseph Louis Gay-Lussac

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Das auch als Volumen-Temperatur-Gesetz oder Gesetz der Volumina bekannte Charles'sche Gesetz besagt, dass für eine feste Masse eines idealen Gases bei konstanter Druck, ist das Volumen, das es einnimmt, direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur. Dies wird ausgedrückt als [latex]V \propto T[/latex] oder [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]. Sie erklärt die Tendenz von Gasen, sich auszudehnen, wenn sie unter isobaren (druckkonstanten) Bedingungen erhitzt werden.

Das Charles'sche Gesetz ist ein grundlegendes Prinzip zur Beschreibung der thermischen Ausdehnung von Gasen. Die ersten Arbeiten wurden um 1787 von Jacques Charles durchgeführt. Er untersuchte, wie sich das Volumen einer festen Gasmenge bei konstantem Druck mit der Temperatur verändert, und fand eine konsistente lineare Beziehung. Charles hat seine Ergebnisse jedoch nie veröffentlicht. Das Gesetz wurde weithin bekannt, nachdem Joseph Louis Gay-Lussac, der unabhängig das gleiche Phänomen untersucht hatte, 1802 seine eigenen Ergebnisse veröffentlichte. Gay-Lussac zollte Charles in seiner Arbeit großzügig Anerkennung für die ursprüngliche, unveröffentlichte Arbeit, weshalb das Gesetz meist nach Charles benannt ist.

Die tiefgreifende Bedeutung des Gesetzes liegt in seiner Extrapolation. Als die Wissenschaftler das Volumen verschiedener Gase in Abhängigkeit von der Temperatur aufzeichneten, stellten sie fest, dass alle Linien, wenn sie nach hinten verlängert wurden, zu einem einzigen Punkt mit einem Volumen von Null konvergierten. Diese theoretische Temperatur wurde mit -273,15 °C bestimmt. Dieser Punkt wurde als absoluter Nullpunkt, die niedrigste mögliche Temperatur, anerkannt, was zur Grundlage der absoluten Kelvin-Temperaturskala wurde. Auf der Kelvin-Skala, wo 0 K der absolute Nullpunkt ist, nimmt das Gesetz die einfache proportionale Form [latex]V = kT[/latex] an. Mikroskopisch betrachtet, erhöht die Erwärmung eines Gases bei konstantem Druck die kinetische Energie seiner Moleküle, so dass sie sich schneller bewegen. Um einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten (d. h. eine konstante Rate von Zusammenstößen mit den Behälterwänden), muss sich das Volumen ausdehnen, so dass die sich schneller bewegenden Moleküle zwischen den Zusammenstößen mehr Platz zur Verfügung haben.

Klimawandel, Umwelttechnik, Gas, Erneuerbare Energien, Thermodynamik

UNESCO Nomenclature: 2212

- Thermodynamik

Typ

Physikalisches Gesetz

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

Robert Boyles Arbeit zur Ermittlung der Druck-Volumen-Beziehung für Gase
Die Erfindung und Weiterentwicklung des Luftthermometers, das auf der Wärmeausdehnung beruhte
Fortschritte bei der genauen Messung von Gasvolumina mit Geräten wie Messzylindern und Gasspritzen
Das Konzept der Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks während eines Experiments (isobare Bedingungen)

Anwendungen

Heißluftballons
Bimetallstreifen in Thermostaten
Pop-up-Truthahn-Timer
Aufgehen des Brotes beim Backen
Verbrennungsmotorzyklen (isobare Expansion)
Aufblasen und Aufstieg des Wetterballons

Patente:

Potenzielle Innovationsideen

Aufgrund des hohen Datenverkehrs durch Web-Scraping-Bots, der derzeit mehr als 40.000 Anfragen pro Tag umfasst, ist dieser Inhalt ausschließlich Community-Mitgliedern vorbehalten.
> Anmelden < oder > Registrieren < (100% kostenlos) Zugriff darauf sowie auf alle anderen eingeschränkten Inhalte und Tools.

Verwandt mit: Charles'sches Gesetz, Volumengesetz, ideales Gas, Thermodynamik, konstanter Druck, isobarer Prozess, absoluter Nullpunkt, Kelvin-Skala, Gasausdehnung, Verhältnis zwischen Volumen und Temperatur.

Historischer Kontext

Voltaischer Stapel, der die elektrochemische Reaktion mit Zink- und Kupferelektroden zeigt.

Elektrochemische Reaktion in der Voltasche Säule

Der elektrische Strom in einem Voltastapel wird durch eine Redoxreaktion erzeugt. An der Zinkanode wird das Zinkmetall oxidiert, wobei zwei Elektronen pro Atom freigesetzt werden ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Diese Elektronen wandern durch den äußeren Stromkreis zur Kupferkathode. Dort werden die Wasserstoffionen aus dem wässrigen Elektrolyten reduziert und bilden Wasserstoffgas ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

HVAC-Kontrollpanel mit Anzeige der absoluten Luftfeuchtigkeit in thermodynamischen Anwendungen.

Absolute Luftfeuchtigkeit

Die absolute Luftfeuchtigkeit ([latex]d_v[/latex]) ist die Gesamtmasse des Wasserdampfs ([latex]m_{H_2O}[/latex]) in einem bestimmten Luftvolumen ([latex]V_{Luft}[/latex]). Sie wird in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft ([latex]g/m^3[/latex]) angegeben. Die Formel lautet [latex]d_v = \frac{m_{H_2O}}{V_{air}}[/latex]. Im Gegensatz zur relativen Luftfeuchtigkeit ist sie nicht von der Temperatur der Luft abhängig, sondern wird durch Änderungen des Luftdrucks oder -volumens beeinflusst.

Johann Wilhelm Ritters Experiment mit ultraviolettem Licht und Silberchloridpapier in der Optik.

Ultraviolette Strahlung

Im Jahr 1801 beobachtete Johann Wilhelm Ritter, dass unsichtbare Strahlen jenseits des violetten Endes des Sonnenspektrums mit Silberchlorid getränktes Papier schneller verdunkelten als violettes Licht selbst. Dies bewies die Existenz einer Lichtform jenseits des sichtbaren Spektrums, die er als „oxidierende Strahlen“ bezeichnete, im Gegensatz zu den im Vorjahr entdeckten „Wärmestrahlen“ (Infrarot).

Charles' Gesetz (Vol-Temp-Gesetz)

Labor aus dem 19. Jahrhundert, in dem Wissenschaftler die Atomstruktur und chemische Reaktionen untersuchen.

Moderne Atomtheorie

Die Atomtheorie geht davon aus, dass alle Materie aus diskreten Einheiten, den sogenannten Atomen, besteht. Ein Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl von Protonen im Kern. Während Atome einst als unteilbar galten, bestehen sie heute aus subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Chemische Reaktionen beinhalten die Neuanordnung dieser Atome, die dabei erhalten bleiben.

Laboraufbau zur Demonstration des Avogadroschen Gesetzes in der physikalischen Chemie mit Gasmessungen.

Avogadros Gesetz

Das Avogadrosche Gesetz besagt, dass gleiche Volumina aller Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Daraus ergibt sich eine direkte Proportionalität zwischen dem Volumen eines Gases und der Stoffmenge (Molzahl). Die mathematische Beziehung wird ausgedrückt als [latex]V \propto n[/latex] oder, allgemeiner, als [latex]V/n = k[/latex], wobei k eine Konstante ist.

Stirlingmotor, der thermodynamische Prinzipien in einer Laborumgebung demonstriert.

Stirling-Kreisprozess

Der ideale Stirling-Kreislauf ist ein geschlossener regenerativer thermodynamischer Kreislauf mit vier verschiedenen Prozessen: isothermische Expansion, isochore Wärmeabfuhr, isothermische Kompression und isochore Wärmezufuhr. Das Arbeitsmedium ist permanent eingeschlossen. Sein theoretischer thermischer Wirkungsgrad entspricht dem Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, gegeben durch [latex]\eta_{th} = 1 - \frac{T_C}{T_H}[/latex], wobei [latex]T_H[/latex] und [latex]T_C[/latex] die absoluten Temperaturen des heißen und des kalten Reservoirs sind.

1800

1801

1802

1808

1811

1816-11-16

1800

1802

1810

1816

1816-11-16

Voltaischer Pfahl zur Demonstration der frühen elektrochemischen Energieumwandlung.

Prinzip der Voltasche Säule

Die erste elektrische Batterie erzeugte Gleichstrom durch die Übereinanderlagerung von Paaren unterschiedlicher Metallscheiben (z. B. Zink und Kupfer), die durch ein mit Salzlake getränktes Tuch getrennt waren. Jedes Paar bildete eine galvanische Zelle, und die Reihenschaltung erhöhte die Gesamtspannung. Diese Anordnung demonstrierte die erste kontinuierliche Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und ebnete den Weg für die moderne Elektrochemie.

Voltaischer Pfahl zur Demonstration der elektromotorischen Kraft in Reihenschaltung mit Zink- und Kupferzellen.

Elektromotorische Kraft und Reihenschaltung

Der Voltaische Pfahl begründete das Prinzip der Addition von Spannungen durch Reihenschaltung elektrochemischer Zellen. Jedes Zink-Kupfer-Paar, oder jede Zelle, erzeugt eine charakteristische elektromotorische Kraft (EMK) von etwa 0,76 Volt. Durch physisches Stapeln dieser Zellen zeigte Volta, dass die Gesamtspannung über dem Pfahl die Summe der einzelnen EMKs jeder Zelle ist, wie durch [latex]V_{Gesamt} = n \mal V_{Zelle}[/latex] beschrieben.

Fresnel-Zone

A Fresnel zone is one of a series of confocal prolate ellipsoidal regions in space between a transmitter and a receiver. The primary zone's boundary is the ellipsoid where the path length from transmitter to a point on the surface to the receiver is half a wavelength longer than the direct path, causing a 180-degree phase shift.

Schnellkochtopf und Aerosoldose veranschaulichen das Gay-Lussac-Gesetz in der Thermodynamik.

Gay-Lussac-Gesetz (Druck-Temperatur-Gesetz)

Dieses auch als Amontons'sches Gesetz bekannte Prinzip besagt, dass für eine feste Masse eines idealen Gases bei konstantem Volumen sein Druck direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Die Beziehung wird mathematisch ausgedrückt als [latex]P \propto T[/latex] oder als Vergleich zwischen zwei Zuständen, [latex]\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}[/latex]. Dies beschreibt das Gasverhalten unter isochoren (volumenkonstanten) Bedingungen.

Gasmischapparatur in einem alten Labor für thermodynamische Anwendungen.

Daltons Gesetz der Partialdrücke

Das Daltonsche Gesetz besagt, dass in einem Gemisch aus nicht reagierenden Gasen der Gesamtdruck gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase ist. Der Partialdruck eines Gases ist der Druck, den es ausüben würde, wenn es das gesamte Volumen bei gleicher Temperatur allein einnehmen würde. Die Formel lautet [latex]P_{Text{Gesamt}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].

Elektrodenpolarisation in einem Voltasche-Säulen-Experiment, das die Bildung von Wasserstoffgas demonstriert.

Elektrodenpolarisationsbeschränkung

Ein Hauptfehler der Voltasche Säule ist die Elektrodenpolarisation. Während des Betriebs bildet das an der Kupferkathode entstehende Wasserstoffgas eine isolierende Blasenschicht auf deren Oberfläche. Diese Schicht erhöht den Innenwiderstand der Batterie und verringert die für Reaktionen verfügbare Oberfläche. Infolgedessen sinken Spannung und Stromstärke der Säule kurz nach Inbetriebnahme deutlich ab.

Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas

Die Schallgeschwindigkeit ([latex]c[/latex]) in einem perfekten Gas wird durch seine thermodynamischen Eigenschaften bestimmt, nicht allein durch seinen Druck oder seine Dichte. Die Formel lautet [latex]c = \sqrt{\gamma R_s T}[/latex], wobei [latex]\gamma[/latex] das Verhältnis der Wärmekapazität ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] die spezifische Gaskonstante und [latex]T[/latex] die absolute Temperatur ist. Der Schall breitet sich also in heißerem Gas schneller aus.

Regeneratormatrix eines Stirlingmotors, die die thermische Energiespeicherung in der Thermodynamik veranschaulicht.

Stirlingmotor-Regeneratorökonom

Der Regenerator, auch „Ökonomisator“ genannt, ist Robert Stirlings bedeutendster Beitrag und der Schlüssel zum hohen Wirkungsgrad der Maschine. Er ist ein interner Wärmetauscher, der während des Zyklus thermische Energie speichert und wieder abgibt. Wenn heißes Gas zur kalten Seite strömt, gibt es Wärme an die Regeneratormatrix ab, die dann vom kalten Gas auf seinem Rückweg zur heißen Seite aufgenommen wird.

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)