Rein und raus: Demonstration von Boyles Gesetz

Ein druckvolles Wissenschaftsprojekt von Science Buddies

Schlüssel KonzeptePhysikGasDruckVolumenBoyles Gesetz

Einführung Sie haben wahrscheinlich schon einmal eine Limonade geöffnet und die Flüssigkeit sprudelte direkt aus der Flasche, was zu einer riesigen Sauerei führte. Warum passiert das? Es hat mit dem Kohlendioxidgas zu tun, das der Flüssigkeit zugesetzt wird, um sie sprudelnd zu machen. Beim Öffnen der Flasche wird der im Inneren aufgebaute Druck abgebaut, wodurch das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus der Flasche strömt. In dieser Aktivität demonstrieren Sie mithilfe von luft- und wassergefüllten Ballons, wie ein Gas sein Volumen abhängig von seinem Druck verändert.

Hintergrund Der Unterschied zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen besteht im Verhalten der Partikel (Moleküle oder Atome). Partikel in Feststoffen sind normalerweise in einem regelmäßigen Muster dicht gepackt. Auch wenn die Teilchen in einer Flüssigkeit dicht beieinander liegen, können sie sich frei bewegen. Gasteilchen sind jedoch weit verbreitet und nehmen viel Platz ein. Sie breiten sich weiterhin auf jeden verfügbaren Raum aus. Das bedeutet, dass das Volumen eines Gases im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Feststoffen nicht festgelegt ist. Robert Boyle, ein Chemiker und Physiker aus dem 17. Jahrhundert, entdeckte, dass das Volumen eines Gases, also wie viel Raum es einnimmt, mit seinem Druck zusammenhängt – und umgekehrt. Er fand heraus, dass sich sein Volumen verringert, wenn man ein Gas unter Druck setzt. Wenn Sie den Druck verringern, erhöht sich das Volumen.

Sie können eine reale Anwendung des Boyle-Gesetzes beobachten, wenn Sie Ihre Fahrradreifen mit Luft füllen. Wenn Sie Luft in einen Reifen pumpen, werden die Gasmoleküle im Reifen komprimiert und dichter zusammengepackt. Dadurch erhöht sich der Druck des Gases und es beginnt, gegen die Reifenwände zu drücken. Man spürt, wie der Reifen unter Druck gesetzt und enger wird. Ein weiteres Beispiel ist eine Limonadenflasche. Um Kohlendioxidgas in die Flüssigkeit zu bringen, wird normalerweise die gesamte Flasche mit Gas unter Druck gesetzt. Solange die Flasche geschlossen ist, lässt sie sich nur sehr schwer zusammendrücken, da das Gas auf einen kleinen Raum beschränkt ist und gegen die Flaschenwände drückt. Wenn Sie jedoch die Kappe entfernen, vergrößert sich das verfügbare Volumen und ein Teil des Gases entweicht. Gleichzeitig nimmt sein Druck ab.

Ein wichtiger Beweis für Boyles Gesetz ist unsere eigene Atmung. Ein- und Ausatmen bedeutet grundsätzlich, das Volumen unserer Brusthöhle zu vergrößern und zu verkleinern. Dadurch entsteht in unserer Lunge Unter- und Überdruck, was dazu führt, dass Luft in unsere Lungen gesaugt wird und diese wieder verlässt. In dieser Aktivität erstellen Sie Ihre eigene Demonstration des Boyle-Gesetzes.

Materialien

Vorbereitung

Verfahren

Beobachtungen und Ergebnisse Haben Sie gesehen, wie sich die Luft im luftgefüllten Ballon zusammenzieht und ausdehnt? Ohne die Spitze der Spritze mit dem Finger zu verschließen, können Sie den Kolben einfach aufdrücken. Durch die Öffnung an der Spitze der Spritze kann die Luft entweichen. Doch wenn man die Spritze mit dem Finger verschließt, kann die Luft nicht mehr entweichen. Wenn Sie auf den Kolben drücken, erhöhen Sie den Luftdruck und dadurch zieht sich die Luft im Ballon zusammen oder verkleinert ihr Volumen. Sie hätten sehen sollen, wie der mit Luft gefüllte Ballon schrumpft und kleiner wird. Das Gegenteil geschieht, wenn Sie die Öffnung der Spritze verschließen und den Kolben zurückziehen. Diesmal verringern Sie den Druck der Luft in der Spritze – und ihr Volumen erhöht sich. Dadurch dehnt sich der mit Luft gefüllte Ballon aus und nimmt an Größe zu: eine perfekte Demonstration des Boyle-Gesetzes!

Anders sieht das Ergebnis beim wassergefüllten Ballon aus. Obwohl Sie beim Drücken des Kolbens die Luft in der Spritze komprimieren, wird das Wasser im Ballon nicht komprimiert. Der Ballon bleibt gleich groß. Der Wasserballon behält seine Form auch beim Herausziehen des Kolbens und beim Schließen der Spritzenspitze. Im Gegensatz zu Gasen sind Flüssigkeiten nicht komprimierbar, da ihre Partikel bereits sehr nahe beieinander liegen. Das Gesetz von Boyle gilt nur für Gase.

Wenn Sie die Spritze ebenfalls mit Wasser gefüllt haben, sollten Sie beim Eindrücken des Kolbens in die Spritze immer noch gesehen haben, wie der mit Luft gefüllte Ballon schrumpft. Der luftgefüllte Ballon sollte sich auch beim Herausziehen des Kolbens bei geschlossener Spritzenspitze ausgedehnt haben. Möglicherweise ist Ihnen jedoch aufgefallen, dass Sie den Kolben nicht so weit hinein- und herausdrücken konnten, wie es mit der luftgefüllten Spritze möglich war. Dies liegt wiederum daran, dass Flüssigkeiten nicht wie Gase komprimiert werden können. Das sollten Sie auch beim Versuch, den Kolben in die mit Wasser gefüllte Spritze mit dem mit Wasser gefüllten Ballon hineinzudrücken bzw. zurückzuziehen, beobachtet haben. Es war wahrscheinlich unmöglich, den Kolben rein und raus zu bewegen!

Mehr zu entdeckenBoyles Gesetz, von NASADas ABC des Gases: Avogadro, Boyle, Charles, von TED-EdPuffing up Marshmallows, von Scientific AmericanHow Do We Breathe?, von Scientific AmericanSTEM Activities for Kids, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde in Zusammenarbeit mit Science Buddies für Sie durchgeführt

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