Peter W. Atkins

Physikalische Chemie


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stößt ungefähr jede Nanosekunde einmal mit einem anderen zusammen und legt zwischen zwei Stößen eine Strecke von etwa 103 Moleküldurchmessern zurück.

      Der Druck im Sterninneren hängt (wie immer bei idealen Gasen) gemäß p = ρRT/M mit der Massendichte ρ = m/V zusammen. Wenn wir annehmen, dass das Sterninnere aus ionisierten Wasserstoffatomen besteht, ist die mittlere Molmasse gleich der halben Molmasse von Wasserstoff (0, 5gmol−1, der Mittelwert der Molmassen von H+ und e, wobei Letztere nahezu null ist). Auf halbem Weg zum Mittelpunkt der Sonne beträgt die Temperatur 3, 6MK und die Massendichte ist 1, 20 g cm−3 (etwas mehr als die Dichte von Wasser). Daraus ergibt sich ein Druck von 7, 2×1013 Pa oder rund 720 Millionen Atmosphären.

      Dieses Resultat können wir mit Gl. (1.10) für den Druck nach der kinetischen Gastheorie kombinieren. Die kinetische Gesamtenergie der Teilchen ist Ekin = ½Nmc2, folglich ist p = ⅔ Ekin/V. Der Druck des Plasmas hängt demnach gemäß p = ⅔ ρkin/V mit der kinetischen Energiedichte ρkin = Ekin/V zusammen, der kinetischen Energie der Moleküle in einem bestimmten Volumen dividiert durch dieses Volumen. Daraus berechnen wir eine Energiedichte auf halbem Wege zum Mittelpunkt der Sonne von rund 0, 11 GJ cm−3. Im Vergleich dazu beträgt die Dichte der kinetischen (Translations-)Energie in unserer Atmosphäre an einem warmen Sommertag (25 °C) nur 0, 15 J cm−3.

      Schlüsselkonzepte

      1 1. Die kinetische Gastheorie berücksichtigt ausschließlich die kinetische Energie der Gasmoleküle.

      2 2. Wichtige Ergebnisse dieses Modells sind die abgeleiteten Beziehungen für den Druck und die quadratisch gemittelte Geschwindigkeit.

      3 3. Die Maxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung (auch Maxwell-Boltzmann-Verteilung) gibt für jede beliebige Temperatur den Anteil der Moleküle eines Gases an, die Geschwindigkeiten innerhalb eines bestimmten Bereiches besitzen.

      4 4. Die Stoßzahl (auch Stoßhäufigkeit) ist definiert als die Anzahl der Kollisionen eines Moleküls innerhalb eines Zeitintervalls geteilt durch die Dauer dieses Intervalls.

      5 5. Die mittlere freie Weglänge ist die durchschnittliche Wegstrecke, die ein Molekül zwischen zwei Stößen zurücklegt.

      Die wichtigsten Gleichungen auf einen Blick

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      Motivation

      Reale Gase weichen in ihrem Verhalten von der Modellvorstellung des idealen Gases ab, und es ist wichtig, diese real existierenden Eigenschaften beschreiben zu können. Diese Abweichungen vom idealen Verhalten erlauben es, einen tiefer greifenden Einblick in die Natur der Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu gewinnen.

      Schlüsselideen

      Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Gasmolekülen sind die Ursache für das nicht-ideale Verhalten der Isothermen und das kritische Verhalten realer Gase.

      Voraussetzungen

      Dieser Abschnitt baut auf unserer Diskussion der idealen Gase in Abschn. 1.1 auf, und wir werden daraus weitergehende Überlegungen ableiten. Hierzu benötigen wir ein neues mathematisches Werkzeug: die Differenzialrechnung, die es uns ermöglicht, Wendepunkte im Verlauf von Kurven zu identifizieren. Dieses wichtige mathematische Verfahren wird im „Toolkit 5: Differenzialrechnung“ vorgestellt.

      Reale Gase erfüllen die Zustandsgleichung des idealen Gases nur im Grenzfall p → 0 genau. Die Abweichungen werden umso deutlicher, je höher der Druck und niedriger die Temperatur ist; am stärksten wirken sie sich am Punkt der Kondensation zur Flüssigkeit aus.

      Reale Gase weichen von der Zustandsgleichung des idealen Gases ab, weil die Moleküle miteinander wechselwirken: Abstoßungskräfte begünstigen die Expansion, Anziehungskräfte die Kompression.

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