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SG034a Was ist ein Gas? ©
H. Hübel Würzburg 2023
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In der klassischen Mechanik besteht ein Gas aus sehr vielen mehr oder weniger frei beweglichen Objekten, in der Regel Atomen oder Molekülen; wir nennen sie hier "Teilchen". Sie sind nicht aneinander gebunden, sondern üben vor allem bei kurzzeitigen Stößen Kräfte aufeinander aus. Bei idealen Gasen wirken diese Kräfte nur bei Berührung selbst. Sie führen dazu, dass bewegte Gasteilchen aneinander reflektiert werden und so eine ungeordnete Bewegung ausführen. Sonst bewegen sich die Gasteilchen eines idealen Gases völlig kräftefrei. Reale Gase sind durch gegenseitige Kräfte von etwas größerer Reichweite bestimmt. Bei ihnen bewegen sich die Gasteilchen zwischen zwei Stößen über weitere Distanzen weitgehend frei.
Die Abstände der Gasteilchen voneinander ändern sich wegen ihrer Bewegung ständig. Ihre mittleren Abstände hängen vor allem von der Teilchendichte ab, und damit auch von der Teilchenzahl, vom Volumen, der Temperatur und dem Gasdruck. Typischerweise haben sie bei Zimmertemperatur und einem Druck von 1000 mbar bzw. 1000 hPa im Mittel Abstände in der Größenordnung von 1000 Atomdurchmesser. Mit zunehmender Temperatur werden diese in der Regel größer, wenn sich das Gas ausdehnen kann.
Die Gasteilchen haben - je nach ihrem Bewegungszustand - ständig sich verändernde kinetische Energien. Man kann aber eine mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens angeben. Diese hängt u.a. von der Temperatur ab. Beim idealen Gas kann die Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens angesehen werden. Die Gasteilchen eines idealen Gases haben ja ohne äußere Kräfte nur eine kinetische Energie; ihre potenzielle Energie ist vernachlässigbar. Die Summe aller dieser kinetischen Energien im Gas ist die innere Energie U des idealen Gases.
Beim realen Gas kann auch eine mittlere potenzielle Energie eines Gasteilchens betrachtet werden, die mit den gegenseitig wirkenden Kräften zusammenhängt. Sie hängt ebenfalls von der Temperatur ab. Die innere Energie U des Gases ist hier die Summe aller dieser kinetischen und potenziellen Energien des Gases.
Befindet sich das Gas in einem äußerem Gravitationsfeld, z.B. der Erde, so kann es eine zusätzliche (äußere) potenzielle Energie besitzen. Das gilt auch für ein ideales Gas. Die Luft der Atmosphäre z.B. kann näherungsweise in weiten Bereichen als ein ideales Gas angesehen werden. Wegen der Schwerkraft aber hat ein Teilchen in Bodennähe eine andere (äußere) potenzielle Energie als in großer Höhe.
Teilchendichte: Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit, also z.B. pro 1 m3.
Beim Elektronengas-Modell der Physik kann das Verhalten der Elektronen in einem Metall in mancher Hinsicht wie das Verhalten eines Gases von Elektronen im Metall beschrieben werden und damit die elektrische Leitfähigkeit in einem gewissen Maß "erklären" (Drude-Modell). Die Quantenphysik, angewandt in der Festkörperphysik, beschreibt Elektronen in einem Metall mit einem realistischeren Modell.
Das "Frankfurter Elektronengas-Modell" versucht die Wirkung von Oberflächenladungen auf bzw. in einem Leiter durch ein Gas-Modell zu berücksichtigen. Handelt es sich um ein ideales Gas oder ein reales? Um gar kein Gas! Da die Oberflächenladungen nach Einstellung des stationären Stroms statische Ladungen sind (ortsfest und ohne zeitliche Veränderung), fehlen dem "Frankfurter Elektronengas-Modell" alle Eigenschaften eines Gases: keine Bewegung, erst recht keine ungeordnete, keine kinetische Energie, keine Stöße, kein Druck im Sinne der Mechanik. Solche Ladungen sind wichtig für die Ausbildung von Strom und Spannung längs des Leiters. Sie nehmen aber - nach Erreichen des stationären Stroms - nicht am Stromfluss teil.
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(Juni 2023 )