การทดลองทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับทฤษฎีโมเลกุลจลน์ของก๊าซ

ตามทฤษฎีโมเลกุลจลนศาสตร์ ก๊าซประกอบด้วยโมเลกุลขนาดเล็กจำนวนมาก ทั้งหมดอยู่ในการเคลื่อนที่แบบสุ่มคงที่ ชนกันและภาชนะที่ยึดไว้ ความดันเป็นผลสุทธิของแรงที่ชนกับผนังภาชนะ และอุณหภูมิจะกำหนดความเร็วโดยรวมของโมเลกุล การทดลองทางวิทยาศาสตร์หลายครั้งแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรของก๊าซ

ไนโตรเจนเหลวเป็นก๊าซเหลวราคาไม่แพงที่หาได้จากผู้จัดจำหน่ายงานเชื่อมอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ อุณหภูมิที่ต่ำมากทำให้คุณสามารถสาธิตหลักการหลายประการของทฤษฎีโมเลกุลจลนศาสตร์ได้อย่างมาก แม้ว่าจะค่อนข้างปลอดภัย แต่การทำงานต้องใช้ถุงมือแช่แข็งและแว่นตานิรภัย จัดหาไนโตรเจนเหลวสองสามลิตรและภาชนะโฟมแบบเปิด เช่น ปิคนิคคูลเลอร์ พองลูกโป่งปาร์ตี้แล้วมัดมันออก เทไนโตรเจนเหลวลงในภาชนะแล้ววางบอลลูนไว้บนของเหลว ในอีกสักครู่ คุณจะเห็นบอลลูนหดตัวลงอย่างเห็นได้ชัดจนกระทั่งปล่อยลมออกจนหมด ความหนาวเย็นสุดขั้วทำให้โมเลกุลในแก๊สช้าลง ซึ่งช่วยลดความดันและปริมาตรด้วย นำลูกโป่งออกจากภาชนะอย่างระมัดระวังและวางลงบนพื้น เมื่อมันอุ่นขึ้น มันจะขยายขนาดเท่าเดิม

หากคุณเปลี่ยนปริมาตรของภาชนะบรรจุก๊าซอย่างช้าๆ ความดันก็จะเปลี่ยนไปด้วยแต่อุณหภูมิจะคงที่ เพื่อแสดงให้เห็นสิ่งนี้ คุณต้องมีกระบอกฉีดยาสุญญากาศที่มีเครื่องหมายเป็นมิลลิลิตรและมาตรวัดความดัน ขั้นแรก ดึงกระบอกฉีดยาออกเพื่อให้ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งสูงสุด สังเกตการอ่านค่าความดันและปริมาตรของกระบอกฉีดยา กดลูกสูบของกระบอกฉีดยาเข้าไป 1 มิลลิลิตร แล้วจดความดันและปริมาตร ทำซ้ำขั้นตอนสองสามครั้ง เมื่อคุณคูณปริมาตรด้วยแรงกดสำหรับการอ่านแต่ละครั้ง คุณควรได้ผลลัพธ์ที่เป็นตัวเลขเหมือนกัน การทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงกฎของบอยล์ ซึ่งบอกว่าเมื่ออุณหภูมิคงที่ ผลคูณของความดันและอุณหภูมิก็จะคงที่เช่นกัน

เครื่องจุดไฟอัดเป็นอุปกรณ์สาธิตที่ประกอบด้วยลูกสูบภายในกระบอกใสแบบปิด หากคุณวางกระดาษทิชชู่ไว้ในกระบอกสูบแล้วขันฝาให้แน่น จากนั้นใช้มือตีที่จับลูกสูบ การกระทำดังกล่าวจะบีบอัดอากาศภายในอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดสภาวะที่เรียกว่าการทำความร้อนแบบอะเดียแบติก: ถูกกักขังไว้ในพื้นที่ขนาดเล็กอย่างกะทันหัน อากาศจะร้อนพอที่จะจุดไฟบนกระดาษ

อุปกรณ์ที่มีปริมาตรคงที่ประกอบด้วยหลอดโลหะที่มีเกจวัดแรงดันติดอยู่ หลอดไฟประกอบด้วยอากาศที่ความดัน 14.7 PSI เมื่อใช้อุปกรณ์นี้ คุณสามารถประมาณความดันเมื่ออุณหภูมิเป็นศูนย์สัมบูรณ์ ในการทำเช่นนี้ คุณจะต้องมีสามภาชนะ: หนึ่งบรรจุน้ำเดือด อีกกล่องบรรจุน้ำน้ำแข็ง และที่สามบรรจุไนโตรเจนเหลว จุ่มหลอดโลหะลงในอ่างน้ำร้อนและรอสักครู่เพื่อให้อุณหภูมิคงที่ เขียนความดันที่ระบุบนมาตรวัดพร้อมกับอุณหภูมิเป็นเคลวิน - 373 ถัดไป วางหลอดไฟในอ่างน้ำเย็น และสังเกตความดันและอุณหภูมิอีกครั้ง 273 เคลวิน ทำซ้ำกับไนโตรเจนเหลวที่ 77 เคลวิน ใช้กระดาษกราฟ ทำเครื่องหมายจุดที่บันทึกไว้ โดยใช้แรงกดบนแกน y และอุณหภูมิบนแกน x คุณควรวาดเส้นตรงผ่านจุดที่ตัดกับแกน y ได้ ซึ่งแสดงถึงความดันเมื่ออุณหภูมิเป็นศูนย์เคลวิน