Ideales Gas und Gasgesetze+ Wärmekraftmaschine

Was ist ein ideales Gas?

Ein ideales Gas ist ein vereinfachtes Modell, das reale Gase beschreibt

Man geht dabei von einer Menge an Teilchen ungeordnete Bewegung aus,welche aber nur mit harten und elastischen Stößen untereinander und mit der Umwelt interagieren 

Welche vier Größen messen den physikalisch messbaren Zustand eines idealen Gases ?

Druck p [Pa], Temperatur T [K], Volumen V [m³]und Stoffmenge n [mol] des Gases,

R für die universelle Gaskonstante (8,314 J/mol·K) , wobei die allgemeine Zustandsgleichung (Gasgleichung)diese miteinander verknüpft

p*V= n* R*T

Druck mal Volumen = Stoffmenge mal universeller Gaskonstante mal Temperatur

Welche Bedeutung haben die Gaskonstante, die Boltzmann-Konstante und die Avogadro-Konstante im Zusammenhang mit dem idealen Gas

Was sind die wichtigsten eigenschaften des idealen Gases

Gasteilchen punktförmig und gleichartig sind (kein Eigenvolumen),

•keine Kräfte zwischen den Teilchen wirken (keine Anziehung/Abstoßung),

•alle Stöße vollständig elastisch sind (kinetische Energie bleibt erhalten)

Wie lautet die Zustandsgleichung für 1 Mol eines idealen Gases und welche Bedeutung hat sie

R/k = entspricht der Boltz,ann-Konstanten (1,4* 10^_23 J/K ); Naturkonstante; zusammengefasst aus Druck, Temperatur, Teilchenzahl und Gasvolumen

Diese Form der Gleichung erlaubt eine direkte Berechnung des Volumens, Drucks oder der Temperatur eines einmoligen Gases, ohne die Stoffmenge n zu berücksichtigen (da n = 1)

Was geschieht bei einer isothermen Zustandsänderung eines idealen Gases? Wie lautet die zugehörige Gesetzmäßigkeit

Bei einer isothermen Zustandsänderung bleibt die Temperatur und Stoffmenge n konstant

p*V = konst.

Wenn das Volumen verringert wird, steigt der Druck proportional (z. B. bei Halbierung des Volumens verdoppelt sich der Druck)

Beispiel: Luftpumpe

Wie verändert sich das Volumen eines idealen Gases bei konstantem Druck

Gesetz von Gay-Lussac

p=konst& n= konst

Bei isobarer Zustandsänderung (konstantem Druck) ist das Volumen direkt proportional zur Temperatur=isobare Zustandsänderung

V/T= konst.

=Gas dehnt sich aus bei Erwärmung aufgrund der erhöhten Teilchenbewegung aus und zieht sich bei Abkühlung zusammen. 

Beispiel: Flüssigkeitsthermometer – bei Erwärmung steigt das Volumen

Was passiert mit dem Druck eines Gases, wenn die Temperatur steigt, aber das Volumen konstant bleibt

Isochore Zustandsänderung (Amontons-Gesetz); (V=konst.,& n=konst.)

Bei isochorer Zustandsänderung (konstantem Volumen) ist der Druck direkt proportional zur Temperatur

p/T=konst.

=> Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich auch der Druck.

Beispiel: Schnellkochtopf – erhitzter Dampf erhöht den Druck im Topf

Welche Größe bleibt bei den drei klassischen Gasgesetzen jeweils konstant, und was wird dabei betrachtet?

Boyle-Mariotte-Gesetz (isotherm):Temperatur (T) bleibt konstant; betrachtet wird der Zusammenhang zwischen Druck und Volumen (ind. prop)

•Gay-Lussac-Gesetz (isobar):Druck (p) bleibt konstant; betrachtet wird der Zusammenhang zwischen Volumen und Temperatur (direkt prop)

•Amontons-Gesetz (isochor):Volumen (V) bleibt konstant; betrachtet wird der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur (direkt prop)

Was besagt der Satz von Avogadro und wie lautet das molare Normvolumen eines idealen Gases?

Der Satz von Avogadro besagt, dass ein gewisses Volumen eines idealen Gases bei definiertem Druck und definierter Temperatur immer dieselbe Stoffmenge besitzt.

Diese Normbedingungen entsprechen einem Druck von 1 atm oder auch 1,013×105 Pascal und einer Temperatur von 0 °C

Unter diesen Bedingungen nimmt ein ideales Gas mit einer Stoffmenge von 1 Mol genau ein Volumen von 22,41397 Litern ein

Ein ideales Gas unter Normbedingungen hat bei einem Volumen von 22,41397 Litern genau die Stoffmenge von 1 Mol

Was versteht man unter dem Gesetz der Gleichförmigkeit in Bezug auf ideale Gase

Das Gesetz der Gleichförmigkeit besagt, dass sich ein ideales Gas im Raum homogen verteilt – es besitzt überall dieselbe Dichte (Masse pro Volumen).

Daraus folgt:

•Das Volumen ist direkt proportional zur Stoffmenge bei konstantem Druck und konstanter Temperatur

V/n=konst

Wenn ein Teilbereich doppelt so viel Volumen hat, enthält er auch doppelt so viele Mol des Gases

Was ist eine Wärmekraftmaschine?

Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärmeenergie (z. B. durch Verbrennung) in mechanische Energie (Bewegung) um.

•Das Ziel ist: Wärme → Arbeit (z. B. Auto fahren lassen).

•Beispiele: Benzinmotor, Dieselmotor, Dampfmaschine, Dampfturbine

Warum folgt sie einem Kreisprozess?

Der Ablauf wiederholt sich ständig, damit die Maschine dauerhaft Arbeit verrichten kann.

•Der Prozess durchläuft mehrere Schritte und beginnt dann wieder von vorne

Wie funktioniert das konkret im Ottomotor?

Der Ottomotor ist ein typischer Benzinmotor mit einem 4-Takt-Prozess.

Das bedeutet: In vier einzelnen Bewegungen (Takten) passiert jeweils ein Teil der Energieumwandlung

Ansaugen, Verdichten und Zünden, Arbeiten und Ausschieben

Welche Bauteile sind für den Ottomotor wichtig?

Zylinder: Hier passiert der ganze Prozess.

•Kolben: Bewegt sich auf und ab.

•Pleuelstange: Verbindet Kolben und Kurbelwelle.

•Kurbelwelle: Wandelt die Auf-und-Ab-Bewegung in eine Drehbewegung um.

•Einlassventil (E): Öffnet, um Luft-Kraftstoff-Gemisch einzulassen.

•Auslassventil (A): Öffnet, um Abgase rauszulassen.

•Zündkerze (Z): Zündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch

Was passiert beim 1. Takt (Ansaugen) im Ottomotor?

Kolben geht nach unten.

•Einlassventil ist offen, Auslassventil geschlossen.

•Luft-Kraftstoff-Gemisch wird angesaugt.

•Danach schließt sich das Einlassventil

Was passiert beim 2. Takt (Verdichten und Zünden)

Kolben geht nach oben.

•Beide Ventile sind geschlossen.

•Das Gemisch wird zusammengepresst → Druck und Temperatur steigen.

•Zündkerze zündet das Gemisch → Temperatur & Druck steigen sprunghaft

Was passiert im 3. Takt – Arbeiten (auch: Arbeitstakt

Durch den hohen Druck wirkt auf den Kolben eine große Kraft. 

Die sich ausdehnenden Gase verrichten Arbeit, somit bewegt sich der Kolben bei geschlossenen Ventilen in Richtung Kurbelwelle nach unten.

Das Volumen vergrößert sich, Druck und Temperatur nehmen ab

Was passiert im 4. Takt 

Ausschieben

Am unteren Totpunkt öffnet das Auslassventil.

Der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch die Verbrennungsgase aus dem Zylindergeschoben werden.

Am Ende des 4. Takts öffnet sich das Einlassventil und schließt sich das Auslassventil.

Ein neuer Zyklus beginnt. 

Warum haben Ottomotoren meist eine gerade Zylinderanzahl?

 Um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden und einen gleichmäßigen Lauf zu gewährleisten.