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Was wiegt mehr Gas oder Wasser schwerer

Durch die Nutzung unserer Website bestätigen Sie, dass Sie unsere Cookie-Richtlinie, Datenschutzrichtlinie und unsere Nutzungsbedingungen gelesen und verstanden haben. Gedankenexperiment: Ich habe zwei Kisten mit den gleichen Abmessungen und dem gleichen Gewicht erworben. Ich habe jede Box auf eine einfache elektronische Waage gestellt, um ihre jeweiligen Gewichte zu messen. Aber was ist mit der Schachtel mit Dampf? Meine Vermutung: Es ist schwierig, dass die flüssige Form und die gasförmige Form das gleiche Volumen einnehmen. Die Gasmoleküle wären so nahe beieinander wie in flüssiger Form.

Wenn Sie sich jedoch Ihren letzten Absatz ansehen, können Sie daraus schließen, wonach Sie tatsächlich fragen. Eine Waage misst die vom Prüfobjekt auf die Plattform der Waage ausgeübte Kraft. Stellen Sie sich eine hypothetische Situation vor, in der das Wasser nur in flüssiger Form vorliegt. Es gibt keinen Dampfdruck. Angenommen, die Box ist schwer genug, dass Auswirkungen aufgrund des atmosphärischen Drucks ignoriert werden können. Der Druck auf der Oberseite trägt dazu bei, die von der Box auf die Plattform der Messskala ausgeübte Kraft zu verringern, und der Druck auf die Unterseite trägt dazu bei, das von der Box ausgeübte Gewicht zu erhöhen.

Die Kraft, die die Box auf die Waage ausübt, ergibt sich aus der Differenz zwischen der Kraft, die das Gas am Boden der Box nach unten ausübt, und der Kraft, die es nach oben auf die Oberseite der Box ausübt.

Nun, wenn die Frage ist: Was wiegt mehr, ein Liter flüssiges Wasser oder ein Liter Dampf? Die Antwort ist natürlich die Flüssigkeit, weil sie mehr Dichte hat. Wenn wir stattdessen fragen, ob dieselbe Wassermasse in der Box weniger Kraft einer Waage ausübt, lautet die Antwort Nein, da die Kraft, die sie ausübt, genau ihr Gewicht ist, wie oben gezeigt.

Erhitzen Sie eine Box so, dass keines der Wassermoleküle die Box verlässt, aber das Wasser kocht zu Dampf. Vergleichen Sie dann die Gewichte der Kisten, wenn Sie sie auf einer Waage platzieren. Das Gewicht der Kisten wird in der Tat durch die Kraft auf der Waage nach unten gedrückt. Da die Kästen identisch sind, ist die Auftriebskraft identisch. Und da anfangs die gleiche Wassermasse in beide Kisten floss, ist auch das Gewicht des Wassers in den Kisten identisch. Wenn Sie ein Vakuum haben, das den Rest des Raums ausfüllt, wird keine zusätzliche Masse oder kein zusätzliches Gewicht hinzugefügt.

Wenn Sie das verbleibende Volumen der Box mit Luft bei atmosphärischem Druck füllen, ist die Luftmenge, die Sie jeder Box hinzufügen würden, unterschiedlich. Das flüssige Wasser nimmt weniger Platz in der Box ein, sodass mehr von der Box mit Luft gefüllt wird.

Dadurch wird der Box, in der sich das flüssige Wasser befindet, mehr Gewicht hinzugefügt, und sie wiegt somit mehr. Wenn Sie jeder Box genau die gleiche Anzahl der gleichen Arten von Molekülen hinzufügen, bleiben die Massen identisch.

Der Druck in der Box mit dem gasförmigen Wasser wäre jedoch aufgrund der höheren Temperatur viel höher. Interessanterweise ist gasförmiges Wasser bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie gasförmige Luft aufgrund des niedrigeren Molekulargewichts weniger dicht als Stickstoff oder Sauerstoff. Dies bedeutet, dass die Auftriebskräfte in drei der Szenarien tatsächlich größer sind als das Gesamtgewicht der Kisten. Nur die flüssige Wasserkiste, die den Rest des Weges mit Luft füllte, schwebte nicht einfach weg, was es sehr schwierig machte, sie auf eine Waage zu stellen.

Es ist wahrscheinlich, dass dieser Auftrieb von Gasen Ihnen die Intuition gibt, dass eine gleiche Masse als Gas weniger wiegt als als Flüssigkeit. Im Falle des flüssigen Wassers mit Vakuum würde es sofort anfangen zu kochen und je nach Temperatur auch möglicherweise aufgrund des niedrigen Drucks gefrieren.

Wenn Sie jedoch die Skala während dieser Phasenänderungen beobachten, bleibt sie gleich, wenn das Wasser kocht und gefriert, und dann sublimiert das gefrorene Wasser schließlich, bis es nur noch gasförmiges Wasser enthält, wie die andere Box. Die beiden Boxen bestehen aus genau der gleichen Materie und nehmen genau den gleichen Gesamtraum ein.

Der einzige Unterschied besteht in der internen Anordnung der Komponenten. Dass das Gas Druck ausübt, bedeutet nichts - innere Kräfte können keine Nettokraft auf die Box ausüben, da dies gegen Newtons drittes Gesetz verstoßen würde.

Dies macht dann überhaupt keinen Unterschied hinsichtlich des Gewichts auf einer Waage. Das Gewicht der Waage ist zwei Dinge, bei denen keine Beschleunigungsrahmen oder andere Verrücktheiten wie diese vorausgesetzt werden - die nach unten gerichtete Schwerkraft auf der Box plus die nach oben gerichtete Auftriebskraft auf die Box aus der Umgebungsluft.

Beide sind jeweils genau gleich, wenn das Problem mit der gleichen Masse und dem gleichen Luftvolumen angegeben wird, die von jedem Behälter verdrängt werden. Es gibt also keinen Unterschied im gemessenen Gewicht. Wir müssen nicht einmal rechnen - eine konzeptionelle Analyse reicht aus, um die Frage zu beantworten. Dies berücksichtigt natürlich nur die klassische Mechanik.

Wenn unsere Skala willkürlich empfindlich sein könnte und wir ein perfekt gleichmäßiges 1-gee-Gravitationsfeld hätten, würde Einsteins Relativitätstheorie ins Spiel kommen und es würde sagen, dass die Dampfbox aufgrund des höheren Energiezustands im Vergleich zur anderen Box etwas mehr wiegen würde .

Für 1 kg Wasser ist dies ungefähr 0. Lokale Schwankungen der Schwerkraft würden dies für eine Waage irrelevant machen. Genauer gesagt 1. Wenn Sie meinen, 1 l Wasser in eine 1 l-Box geben und auf 100 ° C oder sogar 200 ° C erhitzen, dann ist es auch 1 kg. Aber es wird kein Dampf sein. In einer 1L-Box hat es keinen Raum, sich zu einem Dampf auszudehnen.

Bei 200 ° C beträgt der Druck etwa 15 atm. Haben Sie also eine starke schwerelose Box. Die Masse von 1 kg Wasser bei 70 ° F und 1 atm und 1 kg Dampf bei 212 ° F und 1 atm ist genau gleich. Das Gewicht ist Kraft und das Gewicht ist aufgrund des Auftriebs unterschiedlich. Ich habe momentan keine Zeit, die Zahlen zu schreiben. Mit Auftrieb denke ich, dass der Dampf tatsächlich wegschwimmen würde, da er weniger dicht als Luft ist. Aber das werde ich anderen überlassen.

Wenn Sie relativistische Effekte berücksichtigen, wird die Box mit Dampf tatsächlich mehr und nicht weniger wiegen, da sie mehr Energie und damit mehr Masse hat. Wenn Sie diese Effekte ignorieren, sollten beide Boxen genau das gleiche Gewicht haben: Wenn beide Boxen die gleiche Größe und das gleiche Gewicht haben, die gleiche Wassermasse und die gleiche Luftmasse enthalten, ist das Gewicht beider Boxen gleich und der Auftrieb Die Kraft auf die Kisten aus der Luft, die sie verdrängen, ist dieselbe.

Wenn "alle Dinge gleich sind", wiegen die beiden Boxen auf der elektronischen Waage das gleiche Gewicht. Es sind jedoch nicht alle Dinge gleich. Die Box mit dem Dampf darin ist wesentlich heißer als die Box mit dem Wasser darin.

Aus diesem Grund erwärmt die Hot Box die Pfanne der elektronischen Waage, wodurch sich die Luft unter der Pfanne erwärmt. Dies erzeugt eine kleine Menge an "Auftrieb", da die heiße Luft weniger dicht ist als die Luft, die sich unter der Pfanne der Waage befindet, wenn die "Wasser" -Kiste gewogen wird. Unter der Annahme einer hohen Präzision für die hypothetische elektronische Waage führt dies zu einem niedrigeren Gewichtswert für die Box, die Dampf enthält, als für die Box, die Wasser enthält.

Einerseits enthalten die beiden die gleiche Ruhemasse, aber eine hat mehr kinetische Energie. Die Gesamtmasse ist also um einen nicht messbaren Betrag gestiegen.

Andererseits ist der Dampf in der Box wahrscheinlich höher und die Schwerkraft, die höher von der Erde ist, sinkt. Das Gewicht sinkt also nicht messbar. Aber Sie sagten, dass die Luft bei 1 atm war. Atm ist eine Druckeinheit; Das Kochen des Wassers erhöht den Druck durch eine höhere Temperatur und durch Wasseratome, was die Anzahl der Gaspartikel erhöht.

Das bedeutet, dass Ihre Box eine große Menge Luft austreten musste, um diese 1 atm aufrechtzuerhalten, und somit sinkt das Gewicht um einen messbaren Betrag.

Tatsächlich ist es nicht möglich, 1 kg Wasser in einer 10-l-Box zu kochen und einen Druck von 1 atm aufrechtzuerhalten. Wenn wir Ihre Gedanken lesen und all diese Probleme ignorieren, erhalten wir "eine starre Box enthält Materie nach einem Phasenwechsel, aber wenn keine Materie eingegeben oder verlassen wird, wird das Gewicht durch eine praktische Skalenänderung gemessen?

Wenn Sie eine physikalische Frage stellen, ist es im Allgemeinen am besten, eine Reihe von Ereignissen so genau wie möglich zu beschreiben, indem Sie Aktionen von Personen oder ihren Vertretern einbeziehen. Beispielsweise:. Sie nehmen zwei starre, große Kisten mit je 10 l. Bei Raumtemperatur und Normaldruck geben Sie jeweils 1 kg Wasser ein. Sie versiegeln sie dann. Als nächstes erhitzen Sie eine so lange über 100 ° C, bis das Wasser darin kocht. Aus beiden Kisten tritt nichts aus. Sie platzieren sie im kommerziellen Maßstab mit angemessener Genauigkeit.

Wiegt einer mehr als der andere? Das Gewicht ist proportional zur Masse, Ende der Geschichte, die beiden Kisten wiegen gleich. Um jedoch die Masse von 1 kg Dampf in einer 10-Liter-Box aufzunehmen, ist ein enormer Druck erforderlich.

Das Volumen eines idealen Gases, bei dem Dampf nicht vernachlässigt wird, beträgt für einen Moment 22. Ein Mol Wasser wiegt 18 g, sodass 1 kg Dampf bei STP ein Volumen von 1244 Litern hat. Sie möchten dies also in eine 10-Liter-Box packen, was bedeutet, dass ein Druck von 156 Atmosphären ausgeübt wird, was einer Kraft von etwa 15 entspricht. Sie benötigen eine Sauerstoffflaschen-Technologie, die eine große Menge wiegt, was eine enorme Belastung für Ihre Genauigkeit darstellt Waage.

Bei einigen anderen Einwänden erhöht ein hoher Druck den Siedepunkt von Wasser. Sie müssen es daher viel stärker erwärmen, um sicherzustellen, dass es bei diesen enormen Drücken gasförmig bleibt.

Ihre Frage ist unmöglich, was jetzt? Gleiche Luftmenge plus 1 kg Wasserdampf bei gleichem Volumen und Druck wie bei 1 kg flüssigem Wasser? Die Frage scheint auch eine eigene Antwort zu enthalten: Sie hat das gleiche Gewicht, der Beitrag endet hier. Unabhängig von Ihrem Aufbau ist die Antwort immer sehr einfach: Die Skala misst die Gravitationskraft, die die Erde auf die Bruttomasse der Box 1 i ausübt. Die Anziehungskraft ist gegenseitig; Es ist nur so, dass sich die Erde weniger interessiert.

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