Prema kinetičkoj molekularnoj teoriji, plin se sastoji od velikog broja sitnih molekula, sve u stalnom slučajnom gibanju, sudarajući se međusobno i spremnik koji ih drži. Tlak je neto rezultat sile tih sudara o stijenku spremnika, a temperatura postavlja ukupnu brzinu molekula. Nekoliko znanstvenih eksperimenata ilustrira odnos između temperature, tlaka i volumena plina.
Balon u tekućem dušiku
Tekući dušik je jeftin ukapljeni plin dostupan od većine industrijskih distributera za zavarivanje; njegova izuzetno niska temperatura omogućuje vam dramatično demonstriranje nekoliko principa kinetičke molekularne teorije. Iako je relativno siguran, rad s njim zahtijeva upotrebu kriogenih rukavica i zaštitnih naočala. Nabavite nekoliko litara tekućeg dušika i otvorenu posudu od stiropora, poput hladnjaka za piknik. Napuhajte zabavni balon i zavežite ga. Ulijte tekući dušik u posudu i stavite balon na vrh tekućine. Za nekoliko trenutaka vidjet ćete kako se balon zamjetno smanjuje dok ne postane potpuno ispuhan. Ekstremna hladnoća usporava molekule u plinu, što također smanjuje tlak i volumen. Balon pažljivo izvadite iz posude i odložite ga na pod. Kako se zagrijava, širit će se na nekadašnju veličinu.
Tlak i volumen uz konstantnu temperaturu
Ako polako mijenjate volumen spremnika s plinom, mijenja se i tlak, ali temperatura ostaje stabilna. Da biste to dokazali, potrebna vam je nepropusna štrcaljka označena u mililitrima i manometar. Prvo izvucite štrcaljku tako da je klip na najvišoj oznaci. Zabilježite očitanje tlaka i volumen šprice. Pritisnite klip štrcaljke za 1 mililitar i zapišite pritisak i volumen. Ponovite postupak nekoliko puta. Kad glasnoću pomnožite s tlakom za svako očitanje, trebali biste dobiti isti numerički rezultat. Ovaj eksperiment ilustrira Boyleov zakon koji kaže da su, kad je temperatura konstantna, umnožak tlaka i temperature također konstantni.
Kompresijski upaljač
Kompresijski upaljač demonstracijski je uređaj koji se sastoji od klipa unutar zatvorenog prozirnog cilindra. Ako u cilindar stavite papirnati papir i navijete poklopac, a zatim rukom udarite u dršku klipa, akcija brzo komprimira zrak iznutra. To stvara stanje koje se naziva adijabatsko zagrijavanje: iznenada zatvoren u manjem prostoru, zrak postaje dovoljno vruć da zapali papir.
Procjena apsolutne nule
Uređaj konstantne zapremine sastoji se od metalne žarulje s pričvršćenim manometrom. Žarulja sadrži zrak pod tlakom od 14,7 PSI. Pomoću ovog uređaja možete procijeniti tlak kada je temperatura apsolutna nula. Da biste to učinili, trebat će vam tri spremnika: jedan koji sadrži kipuću vodu, drugi koji sadrži ledenu vodu i treći koji sadrži tekući dušik. Uronite metalnu žarulju u kupku s vrućom vodom i pričekajte nekoliko minuta da se temperatura stabilizira. Zapišite tlak naznačen na manometru, zajedno s temperaturom u kelvinima - 373. Zatim stavite žarulju u ledenu vodenu kupelj i opet zabilježite tlak i temperaturu, 273 kelvina. Ponovite s tekućim dušikom na 77 kelvina. Grafičkim papirom označite zabilježene točke pritiskom na osi y i temperaturom na osi x. Trebali biste biti u mogućnosti povući prilično ravnu liniju kroz točke koje sijeku os y, pokazujući tlak kada je temperatura nula kelvina.