Einflussgrößen auf den Gasdruck

Die untere Abbildung zeigt einen gasgefüllten Zylinder, der mit einem beweglichen Kolben verschlossen ist. Wird der Druck in der rechten Zylinderhälfte nun erhöht, dann macht sich dieser Gasdruck durch eine Kraftwirkung auf den Kolben bemerkbar (Stoßprozesse der Gasteilchen mit dem Kolben - siehe hier). Um den Kolben also in Stellung zu halten, muss eine entsprechende Gegenkraft ausgeübt werden. Wird der Kolben hingegen losgelassen, so dehnt sich das Gas aus und drückt den Kolben mit einer entsprechenden Kraft nach vorne. Das Gas ist durch den hohen Druck also prinzipiell in der Lage Arbeit zu verrichten.

Thermische Zustandsgleichung, Gas, Volumen, Druck, Zylinder, Wärmekraftmaschinen

Interaktive Abbildung: Gasdruck im Inneren eines Zylinders

Nach dem oben genannten Prinzip arbeiten letztlich auch Verbrennungsmotoren (allgemein als Wärmekraftmaschinen bezeichnet). Grundsätzlich gilt dabei: Je höher der Gasdruck, desto größer die Kraft und die damit verrichtete Arbeit. Man ist also bei Wärmekraftmaschinen prinzipiell daran interessiert einen möglichst hohen Druck zu erzeugen. Deshalb stellt sich die Frage, welche thermodynamischen Größen überhaupt Einfluss auf den Druck in einem Zylinder nehmen und welche Gesetzmäßigkeiten dabei zugrunde liegen. Diese Einflussgrößen sollen im Folgenden erläutert werden.

Zum einen kann eine Druckerhöhung in einem Zylinder durch eine Verkleinerung des Gasvolumens erzielt werden [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung]. Dies zeigt auch die Alltagserfahrung, wenn bspw. die Auslassöffnung einer Luftpumpe verschlossen und gleichzeitig der Luftpumpenkolben betätigt wird. Dabei wird man rasch feststellen, dass es eines immer größeren Kraftaufwandes bedarf, um das Gasvolumen mehr und mehr zu verkleinern bzw. die darin befindliche Luft zu komprimieren. Ein solches Zusammenpressen eines Gases wird auch als Kompression bezeichnet. Der erhöhte Kraftaufwand ist schließlich ein Zeichen dafür, dass sich der Gasdruck durch die Kompression erhöht hat, der es immer schwieriger macht das Gas weiter zu komprimieren. Dieses Prinzip der Druckerhöhung durch Volumenverkleinerung wird unter anderem in Motoren genutzt, um den Gasdruck im Zylinder während des sogenannten Kompressionsvorgangs zu erhöhen.

Thermische Zustandsgleichung, Gas-Volumen, Druck, Zylinder, Verkleinerung, Kompression, Verdichtung

Interaktive Abbildung: Erhöhung des Gasdrucks durch eine Volumenverkleinerung

Anschaulich lässt sich die Drucksteigerung bei Volumenverkleinerung damit erklären, dass sich die Gasteilchen nun auf ein kleineres Volumen zusammendrängen. Die Wege die die Teilchen zurücklegen müssen, um ständig wieder mit der Kolbenfläche zusammen zu stoßen sind kürzer und die Stoßhäufigkeit nimmt folglich zu. Dies führt letztlich zu einer gesteigerten Kraftwirkung und damit zu einer Druckerhöhung.

  • Eine Verkleinerung des Gasvolumens bewirkt eine erhöhte Stoßhäufigkeit und führt somit zu einem größeren Druck.

Eine weitere Möglichkeit den Druck in einem Zylinder zu steigern, besteht in der Erhöhung der Gasmasse. Dieses Prinzip wird bspw. beim Aufpumpen eines Fahrradreifens mit Hilfe einer Luftpumpe genutzt. Dabei werden vermehrt Luftteilchen in den Fahrradschlauch gepresst, die dort zu einer entsprechenden Druckerhöhung führen.

Thermische Zustandsgleichung, Gas-masse, Volumen, Druck, Zylinder

Interaktive Abbildung: Erhöhung des Gasdrucks durch Erhöung der Gasmasse

Anschaulich lässt sich diese Druckerhöhung durch die nun pro Zeiteinheit vermehrt stattfindenden Stoßprozesse erklären. Denn schließlich sind nun mehr Teilchen im Gas enthalten, die auf die Kolbenfläche stoßen. Mehr stoßende Gasteilchen bedeuten letztlich eine gestiegene Kraftwirkung und damit eine Druckerhöhung.

  • Eine Vergrößerung der Gasmasse bewirkt eine höhere Stoßanzahl und führt somit zu einem größeren Druck.

Eine andere Möglichkeit den Druck zu steigern liegt in der Erhöhung der Gastemperatur. Auch dabei macht sich die Erhöhung des Druckes durch eine gesteigerte Kraft bemerkbar, die nötig ist, um den beweglichen Kolben eines Zylinders in Stellung zu halten. Im Alltag zeigt sich ein solches Verhalten bspw. wenn eine luftgefüllte Flasche für einige Zeit in die Sonne gestellt wird. Dabei wird die Sonnenstrahlung die Lufttemperatur in der Flasche erhöhen. Öffnet man nun die Flasche, so wird mein ein Zischen als Zeichen einer Luftentweichung feststellen. Grund hierfür ist der gestiegene Gasdruck innerhalb der Flasche, der ein Teil der unter Druck stehenden Luft beim Öffnen aus der Flasche herauspresst.

Thermische Zustandsgleichung, Gas-temperatur, Volumen, Druck, Zylinder

Interaktive Abbildung: Erhöhung des Gasdrucks durch eine Temperaturerhöhung

Ein Druckanstieg bei Erwärmung lässt sich durch die höhere Geschwindigkeit der Gasteilchen erklären, die durch die erhöhte Gastemperatur bedingt ist. Schließlich prallen die Teilchen nun mit mehr Wucht auf die umgebenden Grenzflächen, was zu einer stärkeren Kraftwirkung und somit zu einem gesteigerten Druck führt. Dieses Prinzip der Drucksteigerung durch Temperaturerhöhung findet unter anderem in Verbrennungsmotoren Anwendung. Dabei wird im Zylinder ein Treibstoff-Luft-Gemisch verbrannt und die hierdurch bedingte Temperaturerhöhung zur Drucksteigerung genutzt. Die damit verbundene Kraftwirkung versetzt dann letztlich die Kurbelwelle in Rotation.

  • Eine Erhöhung der Gastemperatur bewirkt eine stärkere Stoßheftigkeit und führt somit zu einem größeren Druck.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass der Gasdruck vom Gasvolumen, von der Gasmasse und von der Gastemperatur abhängig ist. Da all diese Größen letztlich den Zustand eines Gases beschreiben, bezeichnet man diese auch als sogenannte Zustandsgrößen. Wie diese Zustandsgrößen den Gasdruck nun genau beeinflussen wird im folgenden Abschnitt näher erläutert.

Diese Seite verwendet Cookies. Mit Verwendung dieser Seite erklären Sie sich hiermit ausdrücklich einverstanden. Für mehr Informationen sowie die Möglichkeit zur Deaktivierung klicken Sie auf "Datenschutzerklärung".
Datenschutzerklärung Einverstanden