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Titel: Demonstrationsapparatur zur qualitativen und
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quantitativen Bestätigung der Gasgesetze
Demonstrationsapparatur
zur qualitativen und quantitativen Bestätigung der Gasgesetze Die Erfindung betrifft
eine Demonstrationsapparatur zur qualitativen und quantitativen Bestätigung der
Gasgesetze, bestehend aus mindestens einem temperierbaren und einseitig geschlossenen
Meßrohr mit einer eingeschlossenen Gasportion, bei der das Meßrohr zur Druck- und
Volumenvariation des Gases mit einer'pneumatischen Steuereinheit verbunden und zur
Temperaturänderung mittels Flüssigkeitsthermostaten aufheizbar bzw. abkühlbar ist.
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Die Gasgesetze sind für die Entwicklung der Naturwissenschaften Chemie
und Physik von grundlegender Bedeutung. Sie werden leider im Unterricht häufig nur
theoretisch behandelt, was zum Teil daran liegt, daß die Darstellung des funktionalen
Zusammenhangs der drei Zustandsgrößen Druck, Volumen und Temperatur im Experiment
einige Schwierigkeiten mit sich bringt.
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Die meisten in der Literatur beschriebenen Geräte sind von ihrer Konstruktion
her lediglich dazu geeignet, eines der drei Gasgesetze zu bestätigen. Diese Geräte
arbeiten mit getrennten und daher verschieden großen Gasportionen.
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Es gibt jedoch Geräte, die nach dem Prinzip des Gasthermometers gebaut
sind und die Bestätigung aller Gasgesetze mit ein und derselben Gasportion ermöglichen.
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Als Beispiele seien die Universalgasapparatur von W. KERN (Praxis
der Physik, Chemie, Photographie 2, 1953, Seite 200 und die Apparatur der Firma
PHYWE (PHYWE- Hauptkatalog, 1976) genannt. Bei diesen Apparaturen wird das in einem
senkrecht angeordneten, temperierbaren Meßrohr eingeschlossene Gasvolumen durch
Heben oder Senken eines Quecksilberniveaugefäßes variiert.
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Die Verwendung von Quecksilberniveaugefäßen bei diesen Apparaturen
bedingt den Einsatz größerer Quecksilberportionen. Das führt dann zwangsläufig beim
Heben und Senken der Niveaugefäße zu einer außerordentlichen Belastung von Schlauchverbindungen
und Hähnen. Hierdurch entsteht, insbesondere bei Schülerversuchen, ein erhebliches
Sicherheitsrisiko.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß mit den Quecksilberniveaugefäßen dieser
Geräte ein einfaches und zügiges Ansteuern der Zuständsgrößen einfach nicht zu erreichen
ist.
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Nachteilig ist ferner daß bei Druckmessungen immer auch der Luftdruck
berücksichtigt werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Demonstrationsapparatur
der oben genannten Art zu schaffen, bei der im Vergleich zu bekannten Apparaturen
die Quecksilbermenge drastisch reduziert ist. Die Apparatur soll einfach zu bedienen
und ihr Aufbau leicht zu durchschauen sein. Die Apparatur soll es erlauben, alle
drei Zustandsgrößen kontinuierlich ansteuern zu können. Ferner sollen durch die
Apparatur die einzelnen Gasgesetze und die Allgemeine Zustandsgleichung idealer
Gase nicht nur quantitativ bestätigt werden können, die Apparatur soll sich auch
zur qualitativen Demonstration aller drei Gesetze eignen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Demonstrationsapparatur
das Meßrohr, in dem ein bewegliches Sperrmittel den Gasverschluß bildet, waagerecht
angeordnet und als Kapillare ausgebildet ist und mit der Steuereinheit verbunden
ist, die dosiert belüftbar und evakuierbar ist.
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Als Sperrmittel kommen Flüssigkeitstropfen, z.B.aus Quecksilber oder
geeignetem Silikonöl, in Frage; das Sperrmittel kanq aber auch ein Feststoffpfropfen
aus geeignetem Material, z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen) sein, der an der Kapillarinnenwand
bei Verschiebung nur geringe Reibkräfte erzeugt.
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Bei der erfindungsgemäßen Demonstrationsapparatur gestattet das als
Kapillarcausgebildete Meßrohr ein genaues Ablesen des Volumens der Gasprobe. Selbst
kleine Volumenänderungen infolge kleiner Druck- oder Temperaturänderungen lassen
sich mit der Meßapparatur noch nachweisen. Aufgrund der waagerechten Anordnung des
Meßrohres sind Korrekturen am gemessenen Volumen nicht erforderlich.
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Da die Apparatur ein gegen die Luft abgeschlossenes System bildet,
braucht bei Druckmessungen der Luftdruck nicht mehr berücksichtigt zu werden. Gewünschte
Drücke der Gasprobe werden mit Hilfe der Steuereinheit eingestellt. Der eingestellte
Druck kann an einem Manometer, das an die Steuereinheit angeschlossen ist, abgelesen
werden. Als Manometer können Quecksilbermanometer verwendet werden. Vorteilhaft
lassen sich aber auch Dosenmanometer einsetzen, da dann nur noch ein Quecksilberpfropfen
als Sperrmittel für die Gasprobe in der Apparatur benötigt wird.
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Wenn im Unterdruckbereich gearbeitet werden soll, läßt sich die Demonstrationsapparatur
mit Hilfe der Steuereinheit über ein Vorratsvakuum evakuieren. Analog kann aber
auch mit Druckluft experimentiert werden, um das reale Verhalten der Gase, das sich
besonders im Überdruckbereich zeigt, zu
demonstrieren. Vorzugsweise
liegt der Arbeitsbereich der Demonstrationsapparatur im Unterdruckbereich zwischen
0.33 und 1.06 bar. Die Gasprobe zeigt in diesem Arbeitsbereich ein nahezu ideales
Verhalten, und die Druck- und Volumensteuerung ist sehr genau durchzuführen.
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Vorteilhaft lassen sich Meßrohr und Steuereinheit voneinander trennen.
Es kann so bei konstantem Druck, nämlich dem Umgebungsdruck, die Abhängigkeit zwischen
Volumen und Temperatur der Gasprobe demonstriert werden.
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Im verbundenen Zustand setzt man zweckmäßigerweise zwischen Meßrohr
und Steuereinheit eine Quecksilbersicherung, um ein Absaugen des Quecksilberpfropfens
bei unsachgemäßer Betätigung der Steuereinheit zu verhindern.
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Es ist weiterhin vorgesehen, mehrere parallel geschaltete Meßröhrchen
mit Gasfüllungen unterschiedlichen Molekulargewichtes mit der Steuereinheit zu verbinden.
Mit dieser Anordnung kann man demonstrieren, daß trotz gleicher äußerer Bedingungen
nicht jedes Gas in seinem Verhalten durch die Allgemeine Zustandsgleichung der Gase
beschriebein werden kann.
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Schließt-man darüber hinaus mehrere mit dem gleichen Gas gefüllte
Meßrohre parallel an die Steuereinheit an, und macht jedes einzeln mit einem Hahn
verschließbar, so kann man auch zeigen, daß die Allgemeine Zustandsgleichung der
Gase die Struktur pV = n R (1&- 4 ) hat.
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Die erfindungsgemäße Demonstrationsapparatur, die man aus einfachen
Baueinheiten zusammensetzen kann, ist vom Schüler in ihrem Aufbau und von der Funktionsweise
her leicht zu durchschauen. Mit der Apparatur können die Zustandsgrößen Druck, Volumen
und Temperatur einfach und schnell angesteuert und abgelesen werden. Die zur Bestätigung
der Gasgesetze erforderlichen Meßreihen können so aufgenommen werden, daß drei Schüler
damit beschäftigt sind. Bei anderer Anordnung der Baueinheiten ist aber auch ein
Schüler in der Lage, die Apparatur zu bedienen und Meßwerte aufzunehmen. In der
Apparatur verwendetes Quecksilber kann bis auf die geringe Menge des Quecksilberpfropfens
reduziert werden. Eine Unfallgefahr ist somit weitestgehend ausgeschlossen.
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Ein AusführungsbsZispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung
des Aufbaus der
erfindungsgemäßen Demonstrationsapparatur.
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Die erfindungsgemäße Demonstrationsapparatur ist im wesentlichen aus
folgenden Baugruppen aufgebaut: Einem temperierbaren Meßrohr 1, einer Steuereinheit
2 mit angeschlossenem Manometer 3, einem Vorratsvakuum 4 mit angeschlossener Vakuumpumpe
5, einem Thermostaten 6 und einer Temperaturmeßeinrichtung 7.
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Das Meßrohr 1 ist als Kapillarrohr ausgebildet und von einem äußeren
Mantelrohr 8 umgeben, das als Thermostatiermantel für das Meßrohr 1 dient. Das Mantelrohr
8 weist an den Enden einen Zulauf 9 und einen Ablauf 10 für das Wasser des Thermostaten
6 auf. Das Meßrohr 1 ragt mit seinen beiden offenen Enden über das Mantelrohr 8
hinaus. Im Meßrohr 1 befindet sich die Gasprobe. Sie ist von einer festen Zwischenwand
11 und einem sehr leicht im Meßrohr'1 verschiebbaren Quecksilberpfropfen 12 eingeschlossen.
Die Gasprobe hat die Form eines langen dünnen Zylinders, der im-Vergleich z; seinem
Volumen eine relativ große Länge und Oberfläche besitzt.
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Das Mantelrohr 8 mit dem Meßrohr 1 ist genau waagerecht in ein Stativ
eingespannt, damit das Gewicht des Quecksilberpfropfens
12 bei
den Volumenablesungen keinen Fehler erzeugt. Zur Bestimmung des Volumens der Gasprobe
ist hinter dem Mantelrohr 8 eine verspiegelte Skala 13 angeordnet, die vorzugsweise
verschieblich gehalten ist, so daß Zwischenwand 11 und Skalennullpunkt genau aufeinander
einzustellen sind. Die Skala 13 ist so aufgeteilt, daß man eine. Längenmessung der
Gasprobe vornimmt und bei bekanntem Durchmesser des Meßrohres 1 das Volumen der
Gasprobe berechnet. Bei Demonstrationsversuchen nimmt man eine Skala, die eine direkte
Vorlumenablesung ermöglicht.
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Zur Einstellung des Meßrohres 1 mit der eingeschlossenen Gasprobe
auf eine bestimmte Temperatur dient der Thermostat 6, dessen Wasser von einer Tauchpumpe
(nicht gezeigt) durch das Mantelrohr 8 gepumpt wird. In der Figur sind die Wasserleitungen
zwischen Mantelrohr 8 und Thermostat 6 durch Verbindungspfeile angedeutet.
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Die Temperatur der Gasprobe wird mit einem Thermoelement 14 gemessen,
das in das kürzere, of¢~s Ende des rohres 1 so eingebracht ist, daß die elementes
14 in der Nähe der Zwischen kalten Lötstellen des Thermoeleme Dewar-Gefäß 1=
gehalten.
Die Temperaturanzeige erfolgt in einem Meßverstärker 16.
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Für Schülerübungen empfiehlt es sich, die Temperatur der Gasprobe
durch eine Temperaturmessung des Heizwassers mit konventionellen Quecksilber-Thermometern
zu bestimmen.
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Das längere, offene Ende des Meßrohres 1 ist über eine Quecksilbersicherung
17, z.B. aus einer Glaskugel mit eingeschmolzener Fritte, mit der Steuereinheit
2 verbunden. Die Steuereinheit 2 weist zwei Hähne 18 und 19 auf, sogenannte Vendura-Hähe,
mit denen Gasströme sehr fein dosierbar sind.
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Bei Arbeiten im Unterdruckbereich kann durch offenen des Hahnes 18
Luft in die Steuereinheit 2 eingebracht werden.
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Der Hahn 19 ist an das Unterdruckgefäß angeschlossen, das durch einen
Stopfen mit eingesetzem Drei-Wege-Hahn verschlossen ist.
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Bei Arbeiten im Überdruckbereich wird der Hahn 18 mit einem Vorratsgefäß
mit Überdruck verbunden.
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Uber den Drei-Wege-Hahn läßt sich bei Verbindung von Vakuumpumpe 5
und Unterdruckgefäß 4 ein ausreichendes Vorratsvakuum erzeugen. Nach Abtrennung
der Vakuumpumpe 5 durch den Drei-Wege-Hahn ist das Vorratsvakuum frei von
störenden
Druckschwankungen, die sonst die Druckeinstellung in der Steuereinheit 2 beeinflussen
würden. Entscheidend ist hier, daß die Pumpe abgekoppelt wird, bevor das Gerät in
Betrieb genommen wird.
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Entsprechend pumpt man zum Betrieb mit Überdruck das Vorratsgefäß
4 auf, koppelt die Pumpe 5 ab und nimmt erst dann das Gerät in Betrieb.
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Die Steuereinheit 2 ist mit dem Manometer 3 verbunden, das den Druck
in der Steuereinheit 2 anzeigt, der mit dem Druck in der Gasprobe identisch ist.
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Zum Nachweis der einzelnen Gasgesetze können an der Demonstrationsapparatur
die Messungen wie folgt durchgeführt werden: Boyle-Mariotte-Gesetz Dieses Gesetz
beschreibt den Zusammenhang von Druck und Volumen eines Gases bei konstanter Temperatur.
Zum Nachweis wird am Thermostaten 6 eine feste Temperatur 1? eingestellt. Anschließend
ändert man mit der Steuereinheit 2 schrittweise den Druck und nimmt die (p, V)-Meßreihe
der Gasprobe auf. Es empfiehlt sich, Meßreihen entweder ganz bei monoton ansteigendem
oder ganz bei fallendem Druck aufzunehmen.
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1. Gay-Lussac-Gesetz Dieses Gesetz beschreibt den Zusammenhang von
Volumen und Temperatur eines Gases bei konstantem Druck. Zum Nachweis des Gesetzes
legt man einen Soll-Druck p fest. Nun gibt man mit dem Thermostaten eine Temperatur
+ vor, wartet kurz, bis die Gasprobe sie angenommen hat, und führt dann mit der
Steuereinheit den Druck auf den Solldruck p nach und liest anschließend das Volumen
V ab. Durch schrittweises Andern der Temperatur und Nachjustieren des SolldruckSerhält
man die (V,4')-Meßreihe.
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2. Gay-Lussac-Gesetz Dieses Gesetz beschreibt den Zusammenhang von
Druck und Temperatur eines Gases bei konstantem Volumen. Die Aufnahme von Messungen
erfolgt analog zum 1. Gay-Lussac-Gesetz. Es wird ein Sollvolumen V vorgelegt. Über
die Steuereinheit wird das bei Temperaturerhöhung geänderte Volumen der Gasprobe
nachgeführt und der zugehörige Druck abgelesen.
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Die Demonstrationsapparatur läßt dem Lehrenden die Entscheidng offen,
ob er zunächst die Gasgesetze experimentell erarbeitet und die Allgemeine Zustandsgleichung
idealer Gase daraus zusammensetzt oder ob er die Allgemeine Zustandsgleichung idealer
Gase experimentell erarbeitet und die Gasgesetze dann daraus ableitet.
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Mit dem Vorratsvakuum läßt sich die Gasprobe mehrmals nacheinander
expandieren und komprimieren. Der Versuch zum Boyle-Mariotte-Gesetz kann daher vor
Beginn der eigentlichen Messungen zur qualitativen Demonstration mehrfach "durchgefahren"
werden.
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Zur qualitativen Demonstration der Gay-Lussac-Gesetze werden neben
der Apparatur anstelle des Thermostaten drei Behälter mit Wasser aufgebaut. Die
Wassertemperaturen in den Behältern sollen sich genügend unterscheiden, z.B. können
Sie 0° C (Eis-/Wasser-Gemisch), 500 C (vorgeheiztes Wasser) und 1000 C (siedendes
Wasser) betragen. Durch Umsetzen der Tauchpumpe des Thermostaten und des Rücklauf
schlauches für das Wasser von einem Behälter zum anderen kann das Meßrohr schnell
auf die jeweilige Temperatur eingestellt werden. Die anschließende Nachführung von
Volumen oder Druck geschieht ebenfalls recht schnell, so daß diese qualitative Demonstration
vor Beginn der eigentlichen Messungen durchgeführt werden kann.