Zusammenfassung
Wie entsteht eine Theorie? Welche Rolle spielt das Experiment in den Naturwissenschaften? Wir versuchen die Welt zu verstehen, indem wir sie beobachten und aus der Beobachtung heraus mathematische Modelle erstellen, welche die Ergebnisse quantitativ beschreiben und experimentelle Vorhersagen erlauben. Im Ergebnis erhält man empirische Gleichungen. Im nächsten Schritt wird versucht, aus der Vielzahl empirischer Einzelerkenntnisse wesentliche Zusammenhänge zu erkennen: Die Einzelergebnisse kondensieren zu übergeordneten Gleichungen, es entwickelt sich eine Theorie. Im Fall der klassischen Gase lässt sich die Vielzahl einzelner Gesetze zur Beschreibung deren Verhaltens zur universellen Gasgleichung zusammenfassen; im Weiteren ergibt sich als übergeordnete Theorie die Thermodynamik.
Wie lässt sich ein Vielteilchensystem beschreiben? Welche und wie viele Parameter werden benötigt? Am Beispiel des einfachsten Vielteilchensystems, dem idealen Gas, wird aufgezeigt, wie man eine Theorie aufstellt, welche Experimente dazu durchgeführt werden und wie man aus den Einzelergebnissen eine umfassende Gleichung zur Beschreibung solcher Systeme gewinnen und auf welche Weise die Theorie überprüft werden kann. Zudem werden die verschiedenen historisch entwickelten Temperaturskalen vorgestellt.
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Notes
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Robert Boyle (* 4. Februar 1627 in Lismore; † 10. Januar 1692 in London) war ein britischer Naturforscher. Er war Mitbegründer des modernen Elementbegriffs, der modernen Physik und Chemie, sowie der auf detailliert veröffentlichten Experimenten beruhenden Naturwissenschaften allgemein. Quelle: Wikipedia.
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Edme Mariotte (* um 1620 wahrscheinlich in Dijon; † 12. Mai 1684 in Paris) war ein französischer Physiker. Mariotte war zunächst katholischer Geistlicher in Dijon, wo er als Prior von St. Martin sous-Beaume wirkte. Seit der Gründung der Akademie der Wissenschaften 1666 lebte er in Paris und arbeitete zu Problemen der Flüssigkeiten und Gase. Mariotte gilt als Erfinder des Kugelstoßpendels, daneben entdeckte er den blinden Fleck im menschlichen Auge. Mariotte interessierte sich auch für die Erdatmosphäre, für deren Verständnis er den Wasserkreislauf, den Regen (wie entstehen Regentropfen?) und den Höhendruck untersuchte. Quelle: Wikipedia.
- 3.
Joseph Louis Gay-Lussac (* 6. Dezember 1778 in Saint-Léonard-de-Noblat; † 9. Mai 1850 in Paris) war ein französischer Chemiker und Physiker. Er entdeckte die gleichmäßige Wärmeausdehnung von Gasen (Gay-Lussac-Gesetz). Mit Alexander von Humboldt ermittelte er die Gasmengen, die bei der Elektrolyse von Wasser freigesetzt werden (\(\text{Wasserstoff}/\text{Sauerstoff}=2/1\)) und ermittelte umgekehrt das Verhältnis der Gasmengen, die zur Bildung von Wasser aus den Gasen benötigt werden. Ferner stellte er fest, dass bei der Reaktion von unterschiedlichen Gasen die Volumenanteile der Einzelgase in einem ganzzahligen Verhältnis stehen müssen (Gesetz der multiplen Volumina). Er entwickelte auch die erste sichere Methode zur Durchführung von Elementaranalysen für organische Stoffe, ferner führte er erstmals eine Titrimetrie (Maßanalyse) aus. Quelle: Wikipedia.
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Jacques Alexandre César Charles (* 12. November 1746 in Beaugency; † 7. April 1823 in Paris) war ein französischer Physiker. Im Jahr 1785 wurde er in die Académie française gewählt und wurde später Professor für Physik. Er hielt in Paris Vorlesungen zur Experimentalphysik. Im Jahre 1787 entdeckte er noch vor Gay-Lussac bei Gasen den Zusammenhang von Temperaturänderung und Volumenänderung, weshalb man die hieraus resultierende Gesetzmäßigkeit auch oft als Gesetz von Charles bezeichnet. Jaques Charles ist zudem der Erfinder des Wasserstoffballons, weshalb dieser auch als Charlière bezeichnet wird. Quelle: Wikipedia.
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Guillaume Amontons (* 31. August 1663 in Paris; † 11. Oktober 1705 in Paris) war ein französischer Physiker und Statthalter von Lille. Er entdeckte die bei idealen Gasen gültige Proportionalität von Druck und Temperatur bei konstantem Volumen, das Gesetz von Amontons und verbesserte die Konstruktion von Thermometern, Hygrometern und Barometern. Amontons postulierte das Vorhandensein eines absoluten Nullpunktes. Der Mondkrater Amontons wurde nach ihm benannt. Quelle: Wikipedia.
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Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, Conte di Quaregna e Cerreto (* 9. August 1776 in Turin; † 9. Juli 1856 in Turin) war ein italienischer Physiker und Chemiker. 1809 wurde er Professor für Naturphilosophie am Real Collegio in Vercelli, wo er seine Molekularhypothese entwickelte. Avogadro beschäftigte sich mit dem Zusammenhang der elektrochemischen Spannungsreihe und der Affinität der Elemente, der spezifischen Wärme von Gasen und Atom- und Molvolumina. Sein Ziel war es, die chemischen Eigenschaften der Verbindungen durch physikalische Eigenschaften zu beschreiben. 1811 veröffentlichte er seine Hypothese, dass gleiche Volumina verschiedener idealer Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Teilchen (Moleküle) enthalten (Avogadro’sches Gesetz). Quelle: Wikipedia.
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Anders Celsius * 7. Dezember 1701 in Uppsala; † 6. Mai 1744 in Uppsala war ein schwedischer Astronom, Mathematiker und Physiker. Quelle: Wikipedia.
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Daniel Gabriel Fahrenheit (* 24. Mai 1686 in Danzig; † 16. September 1736 in Den Haag) war ein deutscher Physiker und Erfinder von Messinstrumenten. Quelle: Wikipedia.
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René-Antoine Ferchault de Réaumur (* 28. Februar 1683 in La Rochelle; † 17. Oktober 1757 auf Château de la Bermondière in Bermondière) war ein französischer Natur- und Materialforscher mit einem weiten Interessen- und Arbeitsgebiet. So beschäftigte er sich unter anderem mit der Entstehung der Schalen der Schalentiere, der Temperaturmessung sowie mit der Herstellung von Stahl, Glas und Papier. Große Beiträge leistete er besonders zur Entomologie (Insektenkunde). Quelle: Wikipedia.
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William John Macquorn Rankine (* 5. Juli 1820 in Edinburgh; † 24. Dezember 1872 in Glasgow) war ein schottischer Physiker und Ingenieur. Quelle: Wikipedia.
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Joseph-Nicolas Delisle (* 4. April 1688 in Paris; † 11. September 1768 in Paris) war ein französischer Astronom und Kartograf. Quelle: Wikipedia.
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Sir Isaac Newton (* 4. Januar 1643 in Woolsthorpe-by-Colsterworth in Lincolnshire; † 31. März 1727 in Kensington) war ein englischer Naturforscher und Verwaltungsbeamter. In der Sprache seiner Zeit, die zwischen natürlicher Theologie, Naturwissenschaften und Philosophie noch nicht scharf trennte, wurde Newton als Philosoph bezeichnet. Isaac Newton ist der Verfasser der Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, in denen er mit seinem Gravitationsgesetz die universelle Gravitation und die Bewegungsgesetze beschrieb und damit den Grundstein für die klassische Mechanik legte. Fast gleichzeitig mit Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelte Newton die Infinitesimalrechnung. Er verallgemeinerte das binomische Theorem mittels unendlicher Reihen auf beliebige reelle Exponenten. Bekannt ist er auch für seine Leistungen auf dem Gebiet der Optik: die von ihm verfochtene Teilchentheorie des Lichtes und die Erklärung des Spektrums. Aufgrund seiner Leistungen, vor allem auf den Gebieten der Physik und Mathematik, gilt Sir Isaac Newton als einer der bedeutendsten Wissenschaftler aller Zeiten. Quelle: Wikipedia.
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Ole Christensen Rømer (* 5. Oktober 1644 in Aarhus; † 19. September 1710 in Kopenhagen) war ein dänischer Astronom. Bekannt wurde er durch den ersten Nachweis, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich und nicht unendlich groß ist, bzw. durch die Anleitung, wie die Lichtgeschwindigkeit durch Beobachtung der Jupitermonde berechnet werden kann.
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John Dalton (* 6. September 1766 in Eaglesfield, Cumberland; † 27. Juli 1844 in Manchester) war ein englischer Naturforscher und Lehrer. Wegen seiner grundlegenden Untersuchungen zur Atomtheorie gilt er als einer der Wegbereiter der Chemie. Ihm zu Ehren ist im anglo-amerikanischen Raum die atomare Masseneinheit u (veraltet: amu) mit „Dalton“ benannt worden. Dalton befasste sich mit Luft, Wasser, Wind und Regen. Zunächst entwickelte er die Theorie, dass in einer Gasmischung jedes einzelne Gas unabhängig von den anderen Gasen einen eigenen Partialdruck bei jeder Temperatur besitzt (Dalton-Gesetz). Dalton beschäftigte sich dann auch mit Gasgemischen über einer lösenden Flüssigkeit. Sein Freund William Henry hatte gezeigt, dass die Löslichkeit eines Einzelgases proportional zum Druck des Einzelgases über der Flüssigkeit ist (Henry’sches Gesetz). Nach Dalton wurden später stöchiometrisch aufgebaute Verbindungen als Daltonide bezeichnet. Quelle: Wikipedia.
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Lauth, G.J., Kowalczyk, J., Lauth, J.„., Kowalczyk, J. (2022). Das ideale Gas. In: Thermodynamik. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-64707-3_2
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DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-64707-3_2
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Publisher Name: Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg
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Online ISBN: 978-3-662-64707-3
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