Σύμφωνα με την κινητική μοριακή θεωρία, ένα αέριο αποτελείται από μεγάλο αριθμό μικροσκοπικών μορίων, όλα σε συνεχή τυχαία κίνηση, που συγκρούονται μεταξύ τους και από το δοχείο που τα συγκρατεί. Η πίεση είναι το καθαρό αποτέλεσμα της δύναμης αυτών των συγκρούσεων στο τοίχωμα του δοχείου και η θερμοκρασία καθορίζει τη συνολική ταχύτητα των μορίων. Αρκετά επιστημονικά πειράματα δείχνουν τις σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας, πίεσης και όγκου αερίου.
Μπαλόνι σε υγρό άζωτο
Το υγρό άζωτο είναι ένα φθηνό υγροποιημένο αέριο διαθέσιμο από τους περισσότερους διανομείς βιομηχανικής συγκόλλησης. Η εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία του σάς επιτρέπει να αποδείξετε δραματικά διάφορες αρχές της κινητικής μοριακής θεωρίας. Αν και είναι σχετικά ασφαλές, η χρήση του απαιτεί τη χρήση κρυογονικών γαντιών και προστατευτικών γυαλιών. Αποκτήστε μερικά λίτρα υγρού αζώτου και ένα ανοιχτό δοχείο φελιζόλ, όπως ένα ψυγείο πικνίκ. Φουσκώστε ένα μπαλόνι πάρτι και δέστε το. Ρίξτε το υγρό άζωτο στο δοχείο και τοποθετήστε το μπαλόνι πάνω από το υγρό. Σε λίγα λεπτά, θα δείτε το μπαλόνι να συρρικνώνεται αισθητά μέχρι να ξεφουσκώσει εντελώς. Το υπερβολικό κρύο επιβραδύνει τα μόρια στο αέριο, γεγονός που μειώνει επίσης την πίεση και τον όγκο. Αφαιρέστε προσεκτικά το μπαλόνι από το δοχείο και τοποθετήστε το στο πάτωμα. Καθώς θερμαίνεται, θα επεκταθεί στο προηγούμενο μέγεθός του.
Πίεση και όγκος με σταθερή θερμοκρασία
Εάν αλλάξετε αργά τον όγκο ενός δοχείου αερίου, η πίεση αλλάζει επίσης αλλά η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή. Για να το αποδείξετε αυτό, χρειάζεστε μια αεροστεγή σύριγγα με σήμανση σε χιλιοστόλιτρα και ένα μανόμετρο. Αρχικά, αφαιρέστε τη σύριγγα έτσι ώστε το έμβολο να βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο. Σημειώστε την ένδειξη πίεσης και τον όγκο της σύριγγας. Πιέστε το έμβολο της σύριγγας κατά 1 ml και σημειώστε την πίεση και τον όγκο. Επαναλάβετε τη διαδικασία μερικές φορές. Όταν πολλαπλασιάζετε την ένταση με την πίεση για κάθε ένδειξη, θα πρέπει να έχετε το ίδιο αριθμητικό αποτέλεσμα. Αυτό το πείραμα απεικονίζει τον νόμο του Boyle, ο οποίος λέει ότι όταν η θερμοκρασία είναι σταθερή, το προϊόν της πίεσης και της θερμοκρασίας είναι επίσης σταθερό.
Ανάφλεξη συμπίεσης
Ένας αναφλεκτήρας συμπίεσης είναι μια συσκευή επίδειξης που αποτελείται από ένα έμβολο μέσα σε έναν κλειστό διαφανή κύλινδρο. Εάν τοποθετήσετε ένα κομμάτι χαρτιού χαρτιού στον κύλινδρο και βιδώσετε το καπάκι και, στη συνέχεια, χτυπήστε τη λαβή του εμβόλου με το χέρι σας, η δράση συμπιέζει γρήγορα τον αέρα μέσα. Αυτό δημιουργεί μια κατάσταση που ονομάζεται αδιαβατική θέρμανση: ξαφνικά περιορίζεται σε μικρότερο χώρο, ο αέρας γίνεται αρκετά ζεστός για να ανάψει το χαρτί.
Εκτιμώντας το απόλυτο μηδέν
Μια συσκευή σταθερού όγκου αποτελείται από έναν μεταλλικό λαμπτήρα με προσαρτημένο ένα μανόμετρο. Ο λαμπτήρας περιέχει αέρα σε πίεση 14,7 PSI. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη συσκευή, μπορείτε να εκτιμήσετε την πίεση όταν η θερμοκρασία είναι απόλυτη μηδέν. Για να το κάνετε αυτό, θα χρειαστείτε τρία δοχεία: ένα που περιέχει βραστό νερό, ένα άλλο που περιέχει παγωμένο νερό και ένα τρίτο που περιέχει υγρό άζωτο. Βυθίστε το μεταλλικό λαμπτήρα στο λουτρό ζεστού νερού και περιμένετε λίγα λεπτά για να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία. Σημειώστε την πίεση που υποδεικνύεται στο μετρητή, μαζί με τη θερμοκρασία σε kelvins - 373. Στη συνέχεια, τοποθετήστε τη λάμπα στο λουτρό πάγου και σημειώστε ξανά την πίεση και τη θερμοκρασία, 273 κάλβινες. Επαναλάβετε με το υγρό άζωτο στα 77 kelvins. Χρησιμοποιώντας χαρτί γραφήματος, σημειώστε τα καταγεγραμμένα σημεία, με πίεση στον άξονα y και θερμοκρασία στον άξονα x. Θα πρέπει να μπορείτε να σχεδιάσετε μια αρκετά ευθεία γραμμή μέσω των σημείων που τέμνουν τον άξονα y, υποδεικνύοντας την πίεση όταν η θερμοκρασία είναι μηδέν kelvins.