Згідно з кінетичною молекулярною теорією, газ складається з великої кількості крихітних молекул, що знаходяться в постійному випадковому русі, стикаючись між собою та контейнером, який їх утримує. Тиск - це чистий результат сили цих зіткнень об стінку контейнера, а температура встановлює загальну швидкість молекул. Кілька наукових експериментів ілюструють взаємозв'язок між температурою, тиском та об'ємом газу.
Повітряна куля в рідкому азоті
Рідкий азот - це недорогий скраплений газ, який можна придбати у більшості промислових розподільників зварювальних робіт; його надзвичайно низька температура дозволяє різко продемонструвати кілька принципів кінетичної молекулярної теорії. Хоча це відносно безпечно, робота з ним вимагає використання кріогенних рукавичок та захисних окулярів. Отримайте кілька літрів рідкого азоту та відкритий контейнер із пінопласту, такий як охолоджувач для пікніка. Надуйте партійну повітряну кулю і зв’яжіть її. Налийте в ємність рідкий азот і покладіть повітряну кулю поверх рідини. Через кілька хвилин ви побачите, як аеростат помітно стискається, поки він повністю не спухне. Сильний холод сповільнює молекули в газі, що також зменшує тиск і об’єм. Обережно вийміть повітряну кулю з контейнера і поставте на підлогу. У міру потепління він розшириться до колишніх розмірів.
Тиск і об'єм при постійній температурі
Якщо повільно змінювати об’єм ємності з газом, тиск також змінюється, але температура тримається стабільно. Для демонстрації цього вам потрібен герметичний шприц, позначений мілілітрами, і манометр. Спочатку витягніть шприц, щоб поршень знаходився на найвищій позначці. Зверніть увагу на показники тиску та об’єм шприца. Натисніть на поршень шприца на 1 мілілітр і запишіть тиск і об'єм. Повторіть процес кілька разів. Коли ви помножуєте гучність на тиск для кожного зчитування, ви повинні отримати однаковий числовий результат. Цей експеримент ілюструє закон Бойля, який говорить, що коли температура постійна, добуток тиску і температури також є постійним.
Запалювач стиснення
Запалювач стиснення - це демонстраційний пристрій, що складається з поршня всередині закритого прозорого циліндра. Якщо ви помістите шматок паперу в циліндр і прикрутите ковпачок, потім вдарите рукою по поршневій ручці, дія швидко стискає повітря всередині. Це призводить до стану, який називається адіабатичним нагріванням: раптом обмежений у меншому просторі повітря стає досить гарячим, щоб запалити папір.
Оцінка абсолютного нуля
Апарат постійного об’єму складається з металевої колби з прикріпленим манометром. Лампочка містить повітря під тиском 14,7 PSI. За допомогою цього пристрою ви можете оцінити тиск, коли температура дорівнює абсолютному нулю. Для цього вам знадобляться три ємності: одна з окропом, інша з крижаною водою і третя з рідким азотом. Занурте металеву колбу у ванну з гарячою водою і почекайте кілька хвилин, поки температура стабілізується. Запишіть тиск, вказаний на манометрі, разом із температурою в кельвінах - 373. Далі помістіть цибулину в крижану водяну баню і знову відзначте тиск і температуру 273 кельвіни. Повторіть з рідким азотом при 77 кельвінах. За допомогою міліметрового паперу позначте записані точки натисканням на вісь y та температурою на осі x. Ви повинні мати можливість провести досить пряму лінію через точки, які перетинають вісь y, вказуючи тиск, коли температура дорівнює нулю кельвінів.