Zgodnie z kinetyczną teorią molekularną gaz składa się z dużej liczby maleńkich cząsteczek, które są w ciągłym, losowym ruchu, zderzając się ze sobą iz pojemnikiem, który je przechowuje. Ciśnienie jest wypadkową siły tych zderzeń ze ścianą pojemnika, a temperatura określa ogólną prędkość cząsteczek. Kilka eksperymentów naukowych ilustruje związki między temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu.
Balon w ciekłym azocie
Ciekły azot jest niedrogim skroplonym gazem dostępnym u większości przemysłowych dystrybutorów spawalniczych; jego ekstremalnie niska temperatura pozwala w dramatyczny sposób zademonstrować kilka zasad kinetycznej teorii molekularnej. Chociaż jest stosunkowo bezpieczny, praca z nim wymaga użycia rękawic kriogenicznych i okularów ochronnych. Zaopatrz się w kilka litrów ciekłego azotu i otwarty styropianowy pojemnik, np. chłodziarkę piknikową. Napompuj balon i zwiąż go. Wlej ciekły azot do pojemnika i umieść balon na wierzchu płynu. Po kilku chwilach balon wyraźnie się kurczy, aż do całkowitego opróżnienia. Ekstremalne zimno spowalnia cząsteczki gazu, co również zmniejsza ciśnienie i objętość. Ostrożnie wyjmij balon z pojemnika i połóż go na podłodze. Gdy się ogrzeje, rozszerzy się do poprzedniego rozmiaru.
Ciśnienie i objętość ze stałą temperaturą
Jeśli powoli zmieniasz objętość butli z gazem, zmienia się również ciśnienie, ale temperatura utrzymuje się na stałym poziomie. Aby to zademonstrować, potrzebujesz hermetycznej strzykawki oznaczonej w mililitrach i manometru. Najpierw wycofaj strzykawkę tak, aby tłok znalazł się na najwyższym miejscu. Zanotuj odczyt ciśnienia i objętość strzykawki. Wciśnij tłok strzykawki o 1 mililitr i zapisz ciśnienie i objętość. Powtórz ten proces kilka razy. Mnożąc objętość przez ciśnienie dla każdego odczytu, powinieneś otrzymać ten sam wynik liczbowy. Ten eksperyment ilustruje prawo Boyle'a, które mówi, że gdy temperatura jest stała, iloczyn ciśnienia i temperatury również jest stały.
Zapalnik kompresyjny
Zapalnik ciśnieniowy to urządzenie demonstracyjne składające się z tłoka wewnątrz zamkniętego przezroczystego cylindra. Jeśli włożysz bibułkę do cylindra i zakręcisz nakrętkę, a następnie uderzysz ręką w uchwyt tłoka, to działanie gwałtownie spręży powietrze wewnątrz. Powoduje to stan zwany ogrzewaniem adiabatycznym: nagle zamknięte w mniejszej przestrzeni powietrze staje się wystarczająco gorące, aby zapalić papier.
Szacowanie zera bezwzględnego
Aparat o stałej objętości składa się z metalowej bańki z dołączonym manometrem. Żarówka zawiera powietrze pod ciśnieniem 14,7 PSI. Za pomocą tego urządzenia możesz oszacować ciśnienie, gdy temperatura wynosi zero absolutne. Aby to zrobić, potrzebujesz trzech pojemników: jednego zawierającego wrzącą wodę, drugiego zawierającego wodę z lodem i trzeciego zawierającego ciekły azot. Zanurz metalową bańkę w łaźni z gorącą wodą i odczekaj kilka minut, aż temperatura się ustabilizuje. Zapisz ciśnienie wskazane na manometrze wraz z temperaturą w kelwinach – 373. Następnie umieść bańkę w łaźni lodowo-wodnej i ponownie zanotuj ciśnienie i temperaturę 273 kelwinów. Powtórz z ciekłym azotem o temperaturze 77 kelwinów. Za pomocą papieru milimetrowego zaznacz zarejestrowane punkty, z naciskiem na oś y i temperaturą na osi x. Powinieneś być w stanie narysować dość prostą linię przez punkty przecinające oś y, wskazując ciśnienie, gdy temperatura wynosi zero kelwinów.