41. Zusammendrückbarkeit der Luft. Mariottesches Gesetz.

Die ^Mariottesche Röhre^: Längs einer vertikalen Säule sind zwei

Holzstücke verschiebbar angebracht, deren jedes eine vertikale Glasröhre

trägt. Von diesen ist die eine oben offen, die andere durch Hahn

verschließbar, und beide sind unten durch einen langen Gummischlauch

verbunden. Dieser ist so mit Quecksilber gefüllt, daß es auch noch in

den Glasröhren bis etwa zu deren Mitte reicht.

[Abbildung: Fig. 62.]

Man bringt die Röhren auf gleiche Höhe und öffnet den Hahn, worauf sich

das Quecksilber gleich hoch stellt; darauf schließt man den Hahn,

wodurch man in der Röhre ein bestimmtes Volumen Luft absperrt, welches

unter dem Druck der äußeren Luft, also einer Atmosphäre steht.

Hebt man nun die offene Röhre, und damit das in ihr befindliche

Quecksilber, so übt die überstehende Quecksilbersäule auf die Luft in

der geschlossenen Röhre einen Druck aus, durch welchen die Luft auf ein

kleineres Volumen zusammengepreßt wird. Die Messung ergibt, daß, wenn

das Volumen der Luft zweimal kleiner geworden ist, die überstehende

Quecksilbersäule eine Höhe von ca. 76 _cm_ hat; genauer: die Höhe ist

gleich der Höhe des jeweiligen Barometerstandes.

Da der Druck einer solchen Quecksilbersäule gleich dem einer Atmosphäre

ist, und auf das Quecksilber im offenen Schenkel noch die äußere Luft

mit einer Atmosphäre drückt, ^so drückt nun auf die Luft im

geschlossenen Schenkel ein Druck von zwei Atmosphären, und sie ist

dadurch auf ein zweimal kleineres Volumen zusammengedrückt^.

Man hebt den offenen Schenkel, bis die Luft im geschlossenen Schenkel

auf ein Drittel ihres ursprünglichen Volumens zusammengepreßt ist,

findet, daß dann das Quecksilber im offenen Schenkel um 2 · 76 _cm_

übersteht, und schließt, daß nun der Druck dreimal so groß ist als wie

zuerst, und daß dadurch das Volumen der Luft dreimal so klein geworden

ist.

Durch solche Versuche findet man, daß das Volumen der Luft stets

ebensovielmal kleiner wird, als man den Druck größer macht.

Um zu zeigen, daß dies Gesetz auch bei ^Verdünnung^ der Gase gilt,

stellt man die beiden Röhren gleich hoch und schließt den Hahnen. Dann

senkt man den offenen Schenkel, so zeigt sich, daß auch im geschlossenen

Schenkel das Quecksilber etwas sinkt, daß also die Luft sich ausdehnt.

Ist hiebei das Volumen der Luft zweimal so groß geworden, so steht das

Quecksilber im offenen Schenkel um 38 _cm_ = ½ · 76 _cm_ tiefer als im

geschlossenen; dies macht ½ Atmosphäre. Auf die Luft im geschlossenen

Schenkel drückt also nicht mehr eine ganze Atmosphäre (äußere Luft),

sondern davon subtrahiert sich der Druck der Quecksilbersäule von ½

Atmosphäre, so daß nur ein Druck von ½ Atmosphäre übrig bleibt. Der

Druck ist demnach zweimal kleiner, das Volumen der Luft zweimal größer

geworden.

Senkt man den Schenkel so weit, daß das Volumen der Luft dreimal so groß

wird, so steht das Quecksilber um ²/₃ · 76 _cm_ tiefer. Auf die Luft im

geschlossenen Schenkel drückt also nur mehr ¹/₃ Atmosphäre. So fährt man

weiter und findet: je kleiner der Druck, desto größer das Volumen des

Gases. Man erhält so das Gesetz: ^je größer der Druck ist, den man auf

ein Gas ausübt, desto kleiner ist sein Volumen und umgekehrt^; oder:

#die Volumina eines Gases verhalten sich umgekehrt wie die Druckkräfte#;

bezeichnet man die Druckkräfte mit ~P~ und ~P´~, die Volumina mit ~V~

und ~V´~, so ist:

~P : P′ = V′ : V. (I)~.

Dieses wichtige Gesetz lehrt, wie das Volumen eines Gases bloß von dem

Drucke abhängt, und heißt das #Mariottesche Gesetz#. (^Robert Boyle^

1666, Mariotte 1684.)

#Unter Expansivkraft oder Spannung der Luft versteht man den Druck, den

eingeschlossene Luft auf die Wände des Gefäßes ausübt.# Sie ist die

Folge des Ausdehnungsbestrebens der Luft. Hat man etwa unter dem

Rezipienten ein Aneroidbarometer stehen, und ist der Rezipient noch mit

der äußeren Luft verbunden, so drückt sie nach dem Gesetze des Boden-

und Seitendruckes auf das Barometer. Aber auch wenn man den Hahn

absperrt, bleibt dieser Druck bestehen und ist nun anzusehen als Folge

des Ausdehnungsbestrebens der Luft. Er hängt nicht ab vom Gewicht der im

Rezipienten enthaltenen Luft, sondern nur von ihrer Dichte. Wenn man

nämlich durch Auspumpen die Dichte der Luft geringer macht, so wird ihr

Druck geringer, was man am Zurückgehen des Barometerzeigers sieht. Bei

den Versuchen an der Mariotteschen Röhre übt die im geschlossenen

Schenkel abgesperrte Luft auf die Oberfläche des Quecksilbers einen

Druck aus, der offenbar so groß ist als der von außen wirkende Druck, da

sich beide Drücke das Gleichgewicht halten; man sieht gerade an diesen

Versuchen: wenn das Volumen der eingesperrten Luft 2, 3 . . . . mal

kleiner wird, so wird auch ihre Expansivkraft 2, 3 . . . . mal größer

und umgekehrt: ^die Expansivkräfte eines Gases verhalten sich umgekehrt

wie seine Volumina^. Bezeichnet man die Expansivkräfte mit ~E~ und ~E´~,

so ist

~E : E′ = V′ : V. (Ia)~.

Unter ^Dichte^ eines Körpers versteht man die ^Anzahl der in einer

Raumeinheit, etwa^ 1 _ccm_, ^enthaltenen Moleküle^. Wenn man diese Zahl

auch nicht berechnen, also die Dichte nicht wirklich finden kann, so

kann man doch die Dichten mancher Körper miteinander vergleichen;

insbesondere ist klar, daß, wenn man einen Körper auf einen kleineren

Raum zusammenpreßt, seine Dichte größer wird, derart, daß #die Dichten

sich verhalten umgekehrt wie die Volumina#; bezeichnet man also die

Dichten dieses Körpers mit ~D~ und ~D′~, so ist

~D : D′ = V′ : V~. (~H~ = Hilfssatz, gültig für alle Körper.)

Verbindet man diesen Satz mit dem ersten Mariotteschen Satz, nach

welchem die Druckkräfte sich verhalten wie umgekehrt die Volumina, so

folgt: #Die Dichten eines Gases verhalten sich wie die Druckkräfte#:

~P : P′ = D : D′ (II)~,

und in Verbindung mit dem Satz ~Ia~ folgt: #die Expansivkräfte eines

Gases verhalten sich wie seine Dichten:#

~E : E′ = D : D′ (IIa)~.

Ferner: ^je größer die Dichte eines Körpers ist^, desto größer ist sein

sp. G., also ~D : D′ = S : S′~ (~H~). Dieser Satz gilt auch von allen

Körpern; verbindet man ihn mit ~II~, so folgt: #Die spezifischen

Gewichte eines Gases verhalten sich wie die äußeren Druckkräfte#:

~P : P′ = S : S′ (III)~,

und verbunden mit ~IIa~ folgt: #Die Expansivkräfte eines Gases verhalten

sich wie die spezifischen Gewichte#:

~E : E′ = S : S′ (IIIa)~.

Dies sind die wichtigsten Fassungen des Mariotteschen Gesetzes. Sie sind

so aufgestellt, daß die Druckkräfte als die von außen wirkenden Ursachen

erscheinen, welche die Zustände des Gases, nämlich sein Volumen und

seine Dichte beeinflussen (~I~, ~II~, ~III~) und daß anderseits die

Expansivkraft als abhängig erscheint von den Zuständen (Volumen und

Dichte), in welchen das Gas sich befindet, oder in welche man es

gebracht hat.

Sollen zwei Gasmassen in einen einzigen Raum vereinigt werden, so kann

man zur Berechnung die Sätze verwenden: Bei gleichem Volumen addieren

sich die Dichten also auch die Druckkräfte. Bei gleichem Druck addieren

sich die Volumina.

Lehrbuch der Physik zum Schulgebrauche. · 第 43 / 340 题