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Aufgabe

Grundgleichung des idealen Gases (Abitur BY 1994 LK A1-2)

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

In einem durch einen Kolben der Querschnittsfläche \(A\) abgeschlossen, quaderförmigen Volumen \(V\) befinden sich \(N\) Gasteilchen. Sie haben alle die gleiche Masse \(m\) und den gleichen Geschwindigkeitsbetrag \(v\). Es wird angenommen, dass sich die Gasteilchen nur parallel zu den Quaderkanten bewegen und dass keine dieser Bewegungsrichtungen bevorzugt ist.

a)

Berechnen Sie in Abhängigkeit von den genannten Größen die Anzahl \(\Delta Z\) derjenigen Gasteilchen, die in der Zeitspanne \(\Delta t\) zum Stoß mit dem Kolben kommen, und daraus den Druck \(p\) des Teilchengases. [zur Kontrolle: \(p = \frac{{m \cdot N \cdot {v^2}}}{{3 \cdot V}}\)]

b)

Das oben beschriebene Quadervolumen hat eine Größe von \(1600\,\rm{cm}^3\). In ihm befinden sich \(2{,}00\,\rm{g}\) Neongas unter dem Druck \(1500\,\rm{hPa}\).

Berechnen Sie die mittlere Geschwindigkeit \({\bar v}\) der Neon-Atome, wenn sie die übliche Geschwindigkeitsverteilung besitzen.

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Hinweis: Bei dieser Lösung von LEIFIphysik handelt es sich nicht um den amtlichen Lösungsvorschlag des bayr. Kultusministeriums.

a)

Es gilt
\[\frac{Z}{{\frac{1}{6} \cdot N}} = \frac{{v \cdot \Delta t \cdot A}}{V} \Leftrightarrow Z = \frac{{N \cdot v \cdot \Delta t \cdot A}}{{6 \cdot V}}\]
Aus der Definition \(p = \frac{{\bar F}}{A}\) des Drucks und der Definition des Kraftstoßes als Impulsänderung \({\bar F \cdot \Delta t = Z \cdot \Delta i}\) (wir bezeichnen den Impuls hier wegen der möglichen Verwechslung mit dem Druck mit \(i\), damit ist \({\Delta i}\) die Impulsänderung eines einzelnen Gasatoms) ergibt sich
\[p = \frac{{Z \cdot \Delta i}}{{A \cdot \Delta t}} = \frac{{\frac{{N \cdot v \cdot \Delta t \cdot A}}{{6 \cdot V}} \cdot 2 \cdot m \cdot v}}{{A \cdot \Delta t}} = \frac{{N \cdot v \cdot \Delta t \cdot A \cdot 2 \cdot m \cdot v}}{{6 \cdot V \cdot A \cdot \Delta t}} = \frac{{m \cdot N \cdot {v^2}}}{{3 \cdot V}}\]

b)

\[p \cdot V = \frac{{N \cdot m \cdot \overline {{v^2}} }}{3} = \frac{{{m_{{\rm{ges}}}} \cdot \frac{{{{\bar v}^2}}}{{{{0,92}^2}}}}}{3} \Rightarrow \bar v = 0,92 \cdot \sqrt {\frac{{3 \cdot p \cdot V}}{{{m_{{\rm{ges}}}}}}} \Rightarrow \bar v = 552\,\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Wärmelehre

Kinetische Gastheorie