Butan in der Spritze.

Die Spritze enthält reines n-Butan. Zu Beginn nimmt es bei 20 °C und 1.00 bar ein Volumen von 50 mL ein. Die Stoffmenge bleibt in beiden Versuchen gleich.

Beim Erwärmen ist der Kolben frei beweglich. Im Gleichgewicht entspricht der Innendruck dem Aussendruck von 1.00 bar. Beim Erwärmen ändern sich zuerst die Teilchengeschwindigkeiten. Stösse übertragen den Drucküberschuss auf den Kolben; beim Abkühlen bewegt der Aussendruck ihn hinein. Die Bewegung ist schematisch gedämpft. Die Stoffwerte stammen weiterhin aus der Referenzgleichung.

Der Regler reicht von 50 bis 1 mL. Im gesamten Temperaturbereich bleibt bei 1 mL noch eine Gasphase vorhanden. Beim Zusammendrücken bleibt die Temperatur konstant. Die abgegebene Wärme geht ins Wasserbad. Das Gas wird zunächst dichter, dann kondensiert es. Wenn alles flüssig ist, steigt der Druck bei weiterer Kompression stark an.

Die Stoffwerte beruhen auf der Referenz-Zustandsgleichung von Bücker und Wagner für n-Butan, berechnet mit CoolProp 8.0.0 (HEOS). Die Datei enthält Tabellen für 0 bis 80 °C und Drücke bis 30 bar. Zwischen Tabellenwerten wird interpoliert.

Die 3D-Ansicht verwendet Three.js r184 und zeigt Teilchen im gesamten Innenraum eines transparenten Zylinders in orthografischer Projektion. Das Kugelmodell zeigt Anordnung und Bewegung schematisch. Die relativen Kugeldurchmesser folgen den effektiven Stossdurchmessern der CoolProp-Viskositätsmodelle: Butan 0.57335 nm, Stickstoff 0.3656 nm und Sauerstoff 0.3428 nm. Das sind Modellparameter, keine scharfen Molekülgrenzen. Gas und Flüssigkeit füllen den räumlichen Innenraum. Kugeln können sich in der Ansicht gegenseitig verdecken. Die Luftdarstellung verwendet das gerundete Verhältnis 78 Stickstoff- zu 21 Sauerstoffmolekülen; die übrigen Luftbestandteile sind nicht dargestellt. Beim Druckversuch fasst «von aussen» die Betätigungs- und Luftdruckkraft zusammen. Die Pfeile am Kolben zeigen mittlere Druckkräfte auf dieselbe Kolbenfläche, keine Einzelstosskräfte. Die blaue und rote Kraft entsprechen den Anteilen von Stickstoff und Sauerstoff am Aussendruck; ihre Summe bleibt beim Erwärmen konstant. Kurzes Aufleuchten markiert einzelne Stösse. Die Resultierende folgt aus den entgegengesetzten Kräften; beim Abbremsen kann sie der Bewegungsrichtung entgegenwirken. Gezeigt wird die langsame Ortsänderung flüssiger Teilchen, nicht ihre momentane thermische Geschwindigkeit. Die Teilchen behalten ihre Positionen und stossen miteinander zusammen. Der berechnete Gleichgewichtsanteil steuert den allmählichen Aufbau und die Auflösung des zusammenhängenden Bereichs. Diese Bewegung ist keine Molekulardynamik-Rechnung für Butan; die Druck- und Volumenwerte stammen aus der Referenzgleichung.

Zusammensetzung der Luft (NOAA)
Stoffdaten und Referenzgleichung für n-Butan
Stossdurchmesser: CoolProp-Flüssigkeitsmodelle (sigma_eta)