Gase und Vakua

[zeitgenosse]

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Vorbeitrag (Heliumballon) aus versehen mit meinem neuen Beitrag von heute morgen überschrieben.

Gr. zg
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Make everything as simple as possible, but not simpler!

[Jogi]

Hi zg.

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[Jogi]

Hi zg.

[zeitgenosse]

[Jogi]

[zeitgenosse]

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Zusätzliche Anregungen:

Das Gesetz von Avogadro besagt, dass zwei gleich grosse Gasvolumina mit demselben Druck dieselbe Teilchenzahl einschliessen:

V ~ N ; wenn T = const. und p = const.

Daraus lässt sich u.a. schliessen, dass die Gaskonstante für alle idealen Gase identisch ist.

Sind Druck und Temperatur konstant, kann somit auch auf die Teilchenzahl geschlossen werden. In unserem Reifenbeispiel gilt für den Partialdruck der Gase aufgrund ihres bekannten Mischungszustandes:

p_sauer = 0,21 * 2,5 bar = 0,525 bar

p_stick = 0,78 * 2,5 bar = 1,95 bar

Der noch verbleibende Anteil verteilt sich dementsprechend auf die Restgase (in summe 0.025 bar). Die Zahl der Stickstoffmoleküle muss also bei Weitem grösser als diejenige der Sauerstoffmoleküle sein.

Ist die Temperatur ein Gradmesser der mittleren kinetischen Energie der Gasteilchen, gilt die (ideale) Gasgleichung:

p*V = n*R*T

n molare Stoffmenge
R Gaskonstante

Dazu gleichwertig ist die zweite Gleichung:

p*V = N(k_B*T)

N Teilchenzahl
k_B = Boltzmannkonstante

Für reale Gase und deren Gemische gilt diese Gleichung nur bedingt; dann nämlich, wenn sie sich annähernd wie ein ideales Gas verhalten (somit nur in einem bestimmten Temperaturbereich).

Dieser Teil der Physik (Gasgesetze) wäre ohne das Experiment unmöglich gewesen. Dazu muss man sich vergegenwärtigen, dass die genialen Experimentatoren vielfach die für die Versuche benötigten Messinstrumente erst erfinden mussten. Es gäbe in der Tat noch viel zu sagen zur technischen Thermodynamik!

Gr. zg
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[zeitgenosse]

[Chlorobium]

Bei Rennreifen wird meines Wissen nach Stickstoff genommen, um keinen
Wasserdampf in die Reifen zu bekommen, wie man es bei der Verwendung
von Luft hätte. Im Rennbetrieb werden die Reifen so heiß, daß die Feuch-
tigkeit bei einer Luffüllung schlagartig verdampft und die Fahreigenschaf-
ten negativ beeinflußen kann. Um dieses Problem zu umgehen, wird halt
Stickstoff genommen. Zwar könnte man auch die Luft trocken, so wie es
bei der Pneumatik gemacht wird, der zu betreibende Aufwand wäre aber
höher.
Bei Flugzeugen wird auch Stickstoff genommen ... hat was mit dem Sauer-
stoff und dessen Reaktion mit dem Gummi bei den auftretenden Tempera-
turen beim Landemanöver zu tun. Das Gummi wird dadurch porös oder ver-
liert seine elastischen Eigenschaften?
_________________
mfg
Chlorobium (der Farbe wegen)

[zeitgenosse]

Nachtrag zu den Gasgesetzen
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In praxi haben wir es nicht mit einem idealen Gas zu tun (die Mechanik des Massenpunktes ist lediglich eine modellhafte Idealisierung). Das reale Gas hat deshalb ein grösseres Volumen als das ideale. Auch ist der Gasdruck des realen Gases meist etwas tiefer.

Die Gastheorie basiert zum grossen Teil auf Experimenten; die Parameter a und b bspw. (siehe unten) müssen experimentell bestimmt werden.

Für reale Gase lautet die Zustandsgleichung:

(p + a(n/V)^2) (V - nb) = n*R*T

a Köhasionsdruck
b Kovolumen
n Stoffmenge
V Volumen
R universelle Gaskonstante
T Temperatur

Diese Gleichung ist auch als Van-der-Waals-Gleichung bekannt. Sie wurde von Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) in seiner Dissertation "Die Kontinuität des gasförmigen und flüssigen Zustands" benutzt. Für hohe Temperaturen und niedrige Teilchenzahlendichten geht die Zustandsgleichung in diejenige für ideale Gase über.

Für den realen Gasdruck ergibt sich anhand dieser Gleichung:

p(V) = (n*R*T/(V - n*b)) - a(n^2/V^2)

Dazu konsultiere man bei bedarf das p-v-Diagramm (zu beachten ist die sog. Maxwell-Konstruktion):

http://de.wikipedia.org/wiki/P-V-Diagramm

Zusamenfassend:

Allgemeine Gas- bzw. Zustandsgleichung für ein abgeschlossenes System:

p*V/T = const.

Isotherme Zustandsänderung, Gesetz von Boyle und Mariotte:

p*V = const.

Isobare Zustandsänderung, Gesetz von Gay-Lussac:

V/T = const.

Isochore Zustandsänderung, Gesetz von Amonton:

p/T = const.

Wenn die Zustandsänderung ohne Austausch von Wärmeenergie erfolgt, spricht man von einem adiabatischen Prozess.

Gr. zg
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[zeitgenosse]

Nachdem ausgiebig von Gasen samt ihren Drücken, Volumen und Temperaturen die Rede war, wäre nun auch das Fehlen von Gasen (sprich Vakuum) interessant. In der Physik gibt es unterschiedliche Vakua, z.B. dasjenige der QED (Zustand minimaler Feldenergie) oder dasjenige der ART (Vakuumlösungen der Feldgleichungen). Bis ins späte Mittelalter war noch vom "horror vacui" die Rede (die Natur besitzt eine Abneigung gegen das Leere).

In der technischen Physik kommt dem klassischen Vakuum eine grosse Bedeutung zu, z.B. in der Beschichtungstechnologie oder bei Teilchenbeschleunigern (Strahlrohrvakuum).

Nach DIN versteht man unter einem Vakuum:

Vakuum heißt der Zustand eines Gases, wenn in einem Behälter der Druck des Gases und damit die Teilchenzahldichte niedriger ist als außerhalb oder wenn der Druck des Gases niedriger ist als 300 mbar, d.h. kleiner als der niedrigste auf der Erdoberfläche vorkommende Atmosphärendruck.

Meine persönlichen und ersten - zwar noch weitgehend indirekten - Erfahrungen mit dem Vakuum waren die klassischen Elektronenröhren aus der Radio- und Fernsehtechnik (lass nie eine TV-Bildröhre fallen, die nicht bereits mit Luft gefüllt ist!).

Wie lässt sich ein Vakuum erzeugen? Ich erinnere mich an den elementaren Physikunterricht, wo unser Lehrer durch einen Schlauch Wasser strömen liess. Mit dem Schlauch war ein zweiter dünnerer verbunden, in welchem ein Unterdruck entstand. Nach diesem simplen Prinzip funktionierende Wasserstrahlpumpen erzeugen ein Grobvakuum bis etwa 20 mbar. Nicht gerade besonders viel.

Eine Zeitlang war ich in der Beschichtungstechnik als Fachspezialist tätig. Die Rezipienten von Leybold-Heraeus - mit denen ich zu tun hatte - arbeiteten mit etwa 1e-7 mbar (Hochvakuum). Das dabei geammelte Wissen kam mir später wieder zugute, als mich ein "Ruf" ans PSI (Synchrotronlichtquelle) erreichte.

Bei Rodenstock (Brillenglasbeschichtung) bspw. gab es für die Vakuumerzeugung verschiedene Pumpen, die hintereinander geschaltet waren. Für das Grob- und Feinvakuum wurden Drehschieber- und Wälzkolbenpumpen eingesetzt (sog. Rootspumpen). Diese arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip. Ein Hochvakuum lässt sich damit nicht erzeugen. Einer solchen Pumpe vorgeschaltet war entweder eine Turbomolekular- oder dann eine (Oel)-Diffusionspumpe. Es werden auch Ionen-Getterpumpen verwendet. Im Rezipienten selbst war zudem eine "Meissnerfalle" angebracht. Im Prinzip ein Kühlblech aus Kupfer mit aufgelöteten Rohrschlangen, die von flüssigem Stickstoff (-190 °C) durchströmt werden. Noch vorhandene Restgasmoleküle (nie alle) lagern sich als Eisschicht an dem Blech ab. Auf diesem Wege lässt sich ein stabiles Hochvakuum erzeugen.

Dazu sollte man wissen, dass es verschiedene Druckbereiche gibt. Meist unterscheidet man deren vier:

- Grobvakuum: 300 mbar bis 1 mbar

- Feinvakuum: 1 mbar bis 1e-3 mbar

- Hochvakuum: 1e-3 mbar bis 1e-7 mbar

- Ultrahochvakuum: 1e-7 mbar bis 1e-12 mbar

In der Praxis noch immer in Gebrauch (obwohl keine SI-Einheit) ist das mbar (1 bar = 10^5 Pa). Heutzutage realisierbare Vakua gehen bis 1e-13 mbar. Zum Vergleich: In 500 km Höhe herrscht ein Druck von gerade noch 1e-8 mbar.

Sofort stellt sich dabei die Frage, wie solche Vakua überhaupt gemessen werden. Auch für Unterdrücke gilt:

P = F/A [1 Pa = 1 N/m^2]

Je nach Druckbereich werden unterschiedliche Messzellen verwendet wie z.B. das McLeod-Kompressions-Vakuummeter. Allerdings ist die mechanische Messmethode nur begrenzt anwendbar; deshalb werden im Hochvakuumbereich elektronische Vakuummeter verwendet wie das Pirani-Vakuummeter (Wärmeleitfähigkeit von Gasen, beheizter Messfühler), das Penning-Vakuummeter (Kaltkathoden-Restgas-Ionisation) oder die Bayard-Alpert-Röhre (Glühkathoden-Restgas-Ionisation). Bei der Lecksuche (auch das kommt vor) wird gelegentlich ein Massenspektrometer eingesetzt. Ein besonderes Augenmerk gilt stets den Dichtungen (nie Gummi, sondern Viton, Teflon oder Kupfer).

Am Beispiel der Bayard-Alpert-Röhre (welche nicht gerade billig ist) soll deren Messprinzip verdeutlicht werden:

http://pgd5.physik.hu-berlin.de/struma/strum35.htm

Die Röhre besitzt eine Glühkathode. Durch die Anodenspannung werden die austretenden Elektronen beschleunigt. Auf ihrem Wege zur Anode ionisieren sie noch vorhandene Restgasmoleküle. Diese nun positiven Gasionen werden zu einer zusätzlichen Elektrode gelenkt, die negativer als die Glühkathode ist. Dadurch wird ein Stromfluss erzeugt, welcher gleich dem äusseren Ionenstrom ist und daher von der Teilchendichte des Restgases abhängt.

Vorschlag an den Mod:
Beiträge über Gase und Vakuum umlagern in einen neuen Thread.

Gr. zg
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[Jogi]

Moin.

Tja, was soll man da noch sagen?

zg, dein Wissen erschlägt einen geradezu.

Wollte ich allen deinen Anregungen nachgehen, bräuchte ich mir sonst nichts mehr vornehmen.
Aber das kann ich mir schlichtweg nicht leisten, deshalb bitte ich um Verständnis, wenn ich mich hier mehr auf's Mitlesen beschränke, was ich allerdings sehr gerne tue, lass' dich also nicht zurückhalten.


Gruß Jogi