In diesem Experiment wird der Einfluss des Umgeb+ungsdrucks auf das Volumen eines Luftballons untersucht. Ein leicht aufgeblasener Luftballon wird in einen Exsikkator gelegt, und durch Evakuierung des Behälters mit einer Vakuumpumpe wird der äußere Druck verringert. Dabei dehnt sich der Luftballon sichtbar aus. Beim Rückströmen der Luft nimmt der Ballon wieder seine ursprüngliche Größe an. Dieses Experiment veranschaulicht das Boyle-Mariotte-Gesetz und zeigt die Auswirkungen von Druckveränderungen auf Gase.
Null-Hypothese: Der Luftballon bleibt unabhängig vom Umgebungsdruck in seiner ursprünglichen Größe.
1. Einleitung
Gase sind kompressibel1[Kompressibel bezeichnet die Eigenschaft eines Stoffes, unter Druckeinwirkung sein Volumen zu verringern, was besonders bei Gasen aufgrund der großen Abstände zwischen den Teilchen stark ausgeprägt ist.] und reagieren empfindlich auf Änderungen des Umgebungsdrucks2[Der Umgebungsdruck ist der Druck, den die umgebende Luft oder ein anderes Medium auf einen Körper ausübt, abhängig von der Höhe, Temperatur und Zusammensetzung der Atmosphäre.]. Das Boyle-Mariotte-Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck und Volumen eines idealen Gases bei konstanter Temperatur:
Es besagt, dass bei konstanter Temperatur das Volumen eines Gases umgekehrt proportional zum Druck steht. In diesem Experiment wird dieser Zusammenhang demonstriert, indem ein Luftballon in einem evakuierten Exsikkator3[Ein Exsikkator ist ein dicht verschließbarer Behälter, der zur Trocknung oder Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher Substanzen verwendet wird und durch Einlegen von Trockenmitteln oder Evakuierung den Wasserdampfgehalt der Luft reduziert.] beobachtet wird.
2. Material und Methoden
Material:
- Luftballon
- Exsikkator mit dicht schließendem Deckel
- Vakuumpumpe
- Druckmessgerät (optional)
Beschaffung:
- Vakuumpumpe: Eine Vakuumpumpe ist für vielerei Experimente eine sehr lohnenswerte Anschaffung. Die ich sehr empfehlen kann.
- Exsikkator oder Vakuumkammer: Sehr nützlich für Unterdruckversuche.
- Kombination aus Vakuumpumpe und größerer Vakuumkammer
Durchführung:
- Ein Luftballon wird so weit aufgeblasen, dass er noch bequem in den Exsikkator passt.
- Der Ballon wird vorsichtig in den Exsikkator gelegt und der Deckel luftdicht verschlossen.
- Mit der Vakuumpumpe wird langsam Luft aus dem Exsikkator entfernt. Dabei wird die Veränderung der Ballongröße beobachtet.
- Nach Erreichen des gewünschten Unterdrucks wird die Pumpe gestoppt und die Größe des Ballons erneut begutachtet.
- Anschließend wird das Ventil geöffnet, sodass Luft langsam wieder in den Exsikkator strömt. Dabei wird erneut die Veränderung des Ballonvolumens dokumentiert.
Während des gesamten Experiments sollte auf eine gleichmäßige Evakuierung4[Die Evakuierung ist das Entfernen von Gasen oder Luft aus einem abgeschlossenen System, um einen reduzierten Druck oder ein Vakuum zu erzeugen.] und Wiedereinleitung der Luft geachtet werden, um abrupte Druckänderungen zu vermeiden.
3. Ergebnisse
Während der Evakuierung des Exsikkators dehnt sich der Luftballon sichtbar aus. Je stärker der Druck im Inneren des Behälters reduziert wird, desto größer wird der Ballon. Beim langsamen Rückströmen der Luft nimmt der Ballon kontinuierlich wieder seine ursprüngliche Größe an. Sobald der Exsikkator vollständig belüftet ist, hat der Ballon exakt sein Anfangsvolumen erreicht.
4. Diskussion
Das beobachtete Phänomen lässt sich mit dem Boyle-Mariotte-Gesetz erklären. Dabei ist es jedoch wichtig zu verstehen, dass sich der Luftballon nicht „aktiv“ aufgrund des Unterdrucks im Exsikkator ausdehnt, sondern weil der Außendruck, der ihn zuvor in seiner ursprünglichen Form gehalten hat, reduziert wird.
Ein Luftballon bleibt in seiner Größe stabil, solange der Innendruck des eingeschlossenen Gases und der äußere atmosphärische Druck5[Der atmosphärische Druck ist der Druck, den die Luftsäule der Erdatmosphäre aufgrund der Schwerkraft auf die Erdoberfläche und darin befindliche Objekte ausübt, mit einem Standardwert von etwa 1013 hPa auf Meereshöhe.] im Gleichgewicht sind. Beim Aufblasen unter Normaldruck (1013 hPa) sorgt die umgebende Luftmasse dafür, dass der Ballon nicht weiter expandiert6[Expandiert bedeutet, dass ein Stoff oder Objekt sein Volumen vergrößert, typischerweise durch eine Verringerung des äußeren Drucks oder eine Erhöhung der Temperatur.], da der äußere Druck eine Gegenkraft auf die Ballonmembran ausübt.
Wird nun Luft aus dem Exsikkator gepumpt, verringert sich der äußere Druck. Dies bedeutet, dass die von außen auf die Ballonmembran wirkende Kraft abnimmt, während der Innendruck des Ballons vorerst unverändert bleibt. Da der Ballon kein starres System ist, kann sich das eingeschlossene Gas nun weiter ausdehnen, wodurch der Ballon größer wird. Mathematisch folgt dies aus der Beziehung:
Da paussen gesenkt wird, muss Vinnen steigen, um das Gleichgewicht zu erhalten. Die Expansion setzt sich fort, bis der neue Außendruck und die elastische Spannung der Ballonmembran eine neue Gleichgewichtssituation erreichen.
Beim Rückströmen der Luft steigt der Außendruck wieder, sodass die Membran erneut stärker von außen zusammengedrückt wird. Das Gas im Inneren komprimiert sich, bis der Ballon schließlich wieder sein ursprüngliches Volumen erreicht.
Das Prinzip dieses Experiments ist in vielen realen Anwendungen relevant. Ein klassisches Beispiel ist das Verhalten von Gasblasen unter Wasser. Beim Tauchen nimmt der Wasserdruck7[Der Wasserdruck ist der Druck, den eine Wassersäule aufgrund der Schwerkraft auf eine darunterliegende Fläche oder ein Objekt ausübt und der mit zunehmender Wassertiefe steigt.] mit zunehmender Tiefe zu, wodurch Luftblasen in der Lunge oder im Gewebe eines Tauchers stark komprimiert8[Komprimiert bedeutet, dass das Volumen eines Stoffes oder Objekts durch äußeren Druck verringert wird, wobei die Dichte des Materials steigt, insbesondere bei Gasen aufgrund ihrer hohen Verformbarkeit.] werden. Beim Auftauchen verringert sich der Umgebungsdruck wieder, sodass diese Blasen sich ausdehnen können – ein Effekt, der ohne kontrolliertes Auftauchen zur Dekompressionskrankheit9[Die Dekompressionskrankheit ist eine durch zu schnellen Druckabfall verursachte Erkrankung, bei der sich im Körper gelöste Gase, insbesondere Stickstoff, in Form von Blasen im Gewebe oder Blutkreislauf bilden, was zu Schmerzen, Nervenschäden oder lebensbedrohlichen Zuständen führen kann.] führen kann.
Auch in der Luftfahrt spielt der Effekt eine Rolle. In Flugzeugen herrscht in der Kabine ein reduzierter Druck, sodass geschlossene Gaskörper (wie Verpackungen oder sogar der menschliche Körper) sich leicht ausdehnen. Dies zeigt, dass der Umgebungsdruck einen erheblichen Einfluss auf das Volumen von gasförmigen Stoffen hat, selbst wenn keine zusätzlichen Gasmengen zugeführt werden.
Zusammenfassend zeigt dieses Experiment anschaulich, dass die Expansion des Ballons nicht durch einen aktiven „Sog“ des Vakuums verursacht wird, sondern vielmehr durch die Verminderung des äußeren Drucks, wodurch das innere Gas die Möglichkeit erhält, sich weiter auszudehnen.
Sicherheit
- Der Exsikkator muss korrekt verschlossen sein, um plötzlichen Druckabfall zu verhindern.
- Die Vakuumpumpe darf nicht zu schnell arbeiten, um Materialermüdung des Exsikkators zu vermeiden.
- Bei beschädigten oder veralteten Exsikkatoren besteht das Risiko eines Implosionsereignisses.
- Schutzbrillen sollten getragen werden.
- Das Experiment sollte nicht mit zu stark aufgeblasenen Ballons durchgeführt werden, um eine unkontrollierte Expansion zu verhindern.