Das Vakuum - Experimente zu Vakuum und Luftdruck

Vakuum stellt man sich im Allgemeinen als komplett luftleere Umgebung im Weltraum vor. Aber so leer ist das Vakuum nicht. Und es gibt einen direkten Zusammenhang mit dem Luftdruck. Was das Vakuum genau ist und welche Experimente du sogar zu Hause mit Vakuum machen kannst, erfährst du hier.

• Vakuum und Luftdruck
• Hinweise zu den Experimenten
• Experiment: Druckausgleich
• Experiment: Membran im Vakuum
• Experiment: Luftballon im Vakuum
• Experiment: Schokokuss im Vakuum

Vakuum und Luftdruck

Die Luft besteht aus vielen kleinen Teilchen, den Luftmolekülen, die sich bewegen, zusammenstoßen und auch gegen feste Dinge stoßen. Diese beweglichen, stoßenden Teilchen sind verantwortlich für den Luftdruck. Um uns herum ist der Luftdruck relativ konstant. Nehme ich Teilchen weg, sinkt der Luftdruck. Nehme ich also ein geschlossenes Behältnis, wie zum Beispiel eine Flasche, und sauge die Luftteilchen ab, so ist der Luftdruck innerhalb der Flasche geringer als außen. Handelt es sich um eine PET-Flasche, wird sie vom äußeren höheren Luftdruck zusammengedrückt. Und zwar solange, bis ein Gleichgewicht entsteht, also der Luftdruck außen und in der Flasche wieder gleich ist.

Als Vakuum bezeichnet man jede Verringerung des Luftdrucks in einem geschlossenen Raum im Vergleich zu der Umgebung dieses Raumes. Das Vakuum kann also auch als Raum, in dem Unterdruck herrscht, bezeichnet werden.

Im Labor werden sogenannte Vakuumpumpen verwendet, um ein Vakuum zu erzeugen. Die Vakuumpumpe pumpt die Teilchen aus einem geschlossenen Raum. Ein perfektes Vakuum, also die absolute Leere, ist auf der Erde praktisch unmöglich zu erreichen.

Auch im Weltraum gibt es kein perfektes Vakuum. Es gibt fast keine Luftmoleküle, aber der Weltraum ist trotzdem nicht absolut leer. Der nicht vorhandene Luftdruck ist der Grund, warum ein Astronaut einen Raumanzug tragen muss.

Der Luftdruck auf Meereshöhe entspricht ungefähr einem Gewicht von 10 Tonnen pro Quadratmeter. Ein Auto wiegt ungefähr eine Tonne. Stell dir einen Stapel aus 10 Autos vor, die auf einer Fläche von 1m Kantenlänge stehen. So groß ist das das Gewicht der Luft, das ständig auf unserem Körper lastet. Wir merken davon aber nichts, weil der Luftdruck in unserem Körper genauso groß ist, wie außerhalb.

Bei einer Vakuumverpackung wird die Luft aus dem Beutel herausgesaugt, bevor der verschlossen wird. Der äußere Luftdruck drückt dann die Verpackung fest auf den verpackten Inhalt.

Hinweise zu den Experimenten

Du kannst bereits mit einfachen Methoden zu Hause ein Vakuum erzeugen. Das geht zum Beispiel mit einer Spritze.

Hast du eine Spritze (ohne Nadel) kannst du die Spritzendüse (das Ende, an dem die Nadel befestigt wird) mit dem Finger zuhalten. Ziehst du jetzt den Kolben aus der Spritze, kann kein Gas oder eine Flüssigkeit in die Spritze gelangen. In der Spritze entsteht ein Unterdruck, ein Vakuum. Du merkst es daran, dass du Kraft aufwenden musst, um den Kolben herauszuziehen. Der Umgebungsluftdruck drückt auf den Kolben.

Für die folgenden Experimente benötigst du zwei solcher Spritzen. Es gibt sie in verschiedenen Größen. Ich benutze gerne die 100ml-Spritzen. Zusätzlich brauchst du noch ein Stück Schlauch, das über die Spritzendüse passt. Manchmal ist bei gekauften Spritzen ein passender Schlauch dabei.

Experiment: Druckausgleich

Du brauchst:

• 2 Spritzen
• 1 Stück Schlauch

Und so gehst du vor:

1. Zieh bei einer Spritze den Kolben bis zum Anschlag, bei der anderen Spritze drückst du den Kolben komplett hinein
2. Verbinde beide Spritzen mit dem Schlauch
3. Bewege den Kolben einer der Spritzen – ziehe ihn heraus oder drücke ihn hinein
4. Beobachte, wie sich der Kolben der anderen Spritze automatisch mitbewegt
5. Den Vorgang kannst du beliebig oft wiederholen

Erklärung

Wenn du eine Spritze aufziehst, entsteht in ihr ein Unterdruck. Um den Druckunterschied auszugleichen strömt die Luft aus der zweiten Spritze durch den Schlauch. Der äußere Luftdruck drückt den Kolben in die Spritze um ein Gleichgewicht herzustellen. Die verbliebene Luft kannst du nun zwischen den beiden Spritzen hin- und herpumpen.

Experiment: Membran im Vakuum

Du brauchst:

• 2 Spritzen
• 1 Stück Schlauch
• Luftballon
• Schere

Und so gehst du vor:

1. Verbinde beide Spritzen mit einem Stück Schlauch
2. Entferne einen der Kolben, den anderen Kolben drückst du in die Spritze
3. Schneide den Zipfel eines Luftballons ab
4. Zieh den Luftballon über das offene Ende des Zylinders
5. Zieh am Kolben der Spritze
6. Beobachte wie die Gummimembran in die Spritze gezogen wird
7. Drückst du den Kolben hinein kehrt die Membran wieder in ihre Ursprungsform zurück

Erklärung

Wenn du den Kolben der Spritze herausziehst entsteht in der Spritze ein Unterdruck. Der äußere Luftdruck drückt die Membran nach innen. Drückst du den Kolben wieder hinein steigt der Druck im Inneren der Spritze wieder und die Membran kehrt in ihre Ursprungsform zurück.

Experiment: Luftballon im Vakuum

Du brauchst:

• 1 Spritze
• 1 Luftballon

Und so gehst du vor:

1. Blas den Luftballon nur minimal auf und verknote ihn.
2. Steck den Luftballon in die Spritze
3. Drück den Kolben bis auf den Luftballon
4. Verschließ die Spritzendüse mit einem Finger
5. Zieh den Kolben heraus
6. Beobachte, wie der Luftballon sich verändert

Erklärung

Die Luft im Luftballon hat den gleichen Luftdruck wie die Umgebung. Wenn du den Luftdruck im Inneren der Spritze verringerst erzeugst du einen Unterdruck. Die Luft im Luftballon dehnt sich aus um ein Druckgleichgewicht herzustellen. Der Luftballon bläst sich auf. Drückst du den Kolben wieder hinein, zieht sich der Luftballon zusammen.

Experiment: Schokokuss im Vakuum

Du brauchst:

• 1 Spritze
• 1 Mini-Schokokuss

Und so gehst du vor:

1. Steck den Mini-Schokokuss in die Spritze
2. Drücke den Kolben bis hinunter zum Schokokuss, ohne ihn zu zerdrücken
3. Verschließ mit einem Finger die Spritzendüse
4. Zieh am Kolben
5. Beobachte, wie der Schokokuss sich verändert

Erklärung

Schokoküsse bestehen aus Eischnee, überzogen mit Schokolade. Der Eischnee ist aufgeschäumt und hat viele kleine Luftblasen. Saugst du die Luft aus der Spritze dehnt sich die Luft in den Blasen aus und bringt den Schokoladenüberzug zum Platzen.