• تعداد بازديد :
  • شنبه 1395/04/12
  • تاريخ :

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

مقدمه:

آیا تا به حال به پف داخل مواد غذایی مانند نان و کیک دقت کرده  اید؟ این پُف به دلیل انبساط گازها به وجود می  آید. گازها در همه جا از آشپزخانه  ی منزل  تان تا کُل جهان هستی وجود دارند. در این فعالیت علمی شما مقداری گاز را داخل یک محفظه قابل انبساط یعنی بادکنک بررسی خواهید کرد و تأثیر دما بر نحوه انبساط و انقباض گازها را آزمایش می  کنید.

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

پیش  زمینه:

همه چیز در جهان اطراف ما از ماده تشکیل شده است، از جمله یک بادکنک و آنچه که داخلش است.
ماده در چهار حالت یا فاز از کم ترین سطح انرژی تا بیشترین در جهان وجود دارد. این چهار فاز شامل جامد، مایع، گاز و پلاسما هستند. گازها از جمله هوا یا هلیومی که داخل بادکنک است، به شکل محیطی که در آن هستند درمی  آیند. مولکول  های گاز در فضایی که قرار دارند پخش می  شوند تا تمام آن فضا به طور یکسان از مولکول  های گاز پر شود. مولکول  های گاز با یکدیگر در ارتباط نیستند.

آنها در خطی مستقیم حرکت می  کنند تا زمانی که به یکدیگر و یا دیواره  ی محفظه  ای که در آن قرار دارند برخورد کنند، سپس برمی گردند و حرکت خود را در جهتی دیگر ادامه می دهند تا مجدداً با مولکولی دیگر یا دیواره محفظه برخورد کنند. مجموع انرژی حرکتی تمام مولکول های گاز داخل یک محفظه، متوسط انرژی جنبشی نام دارد.

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

این متوسط انرژی جنبشی (حرکتی) تحت تأثیر دماست و در دماهای متفاوت مقدار آن تغییر می  کند. زمانی که مولکول های گاز گرم می  شوند، متوسط انرژی جنبشی آنها افزایش می یابد. بدین معنی که مولکول  های گاز با سرعت بیشتری حرکت می  کنند و برخوردهای بیشتر و سخت  تری با هم در محفظه دارند. با سرد شدن این مولکول  ها متوسط انرژی جنبشی آنها کاهش می  یابد و در نتیجه مولکول  ها با سرعت کمتری حرکت می  کنند و برخورد بین آنها کمتر و ضعیف  تر می  شود.

مواد و وسایل مورد نیاز:

 فریزر با فضای خالی مناسب
 دو عدد بادکنک که در حدود 9 تا 12 اینچ قابلیت باز شدن داشته باشند.
 یک قطعه نخ به طول حداقل بیست اینچ
 ماژیک
 متر اندازه  گیری پارچه (متر معمولی یا خط  کش نیز قابل استفاده است اما ترجیح استفاده از متر مخصوص پارچه است.)

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

 یک تکه کاغذ و مداد یا خودکار
 ساعت یا تایمر
 یک همراه برای کمک

آماده  سازی:

 دقت کنید که فریزرتان فضای کافی برای یک بادکنک باد شده داشته باشد، طوری که بادکنک در آنجا تحت فشار نباشد. اگر برای ایجاد فضای مناسب لازم است مواد غذایی داخل فریزر را جابه  جا کنید، حتماً از بزرگتر خود برای این کار اجازه بگیرید. همچنین دقت کنید اجسام نوک تیز داخل فریزر نباشند.


 یک بادکنک را در حد معمولی و نه خیلی زیاد باد کنید. سپس سر آن را خوب ببندید تا هوا از بادکنک خارج نشود. با کمک همراه خود، محیط وسیع  ترین بخش بادکنک را با استفاده از متر اندازه  گیری پارچه و یا یک نخ (و سپس محاسبه  ی طول نخ با متر) اندازه بگیرید. محیط آن چقدر است؟


 یک بادکنک دیگر را به اندازه  ی بادکنک اول باد کنید اما سر آن را گره نزنید. در عوض آن را میان انگشت شست و اشاره  ی خود نگه دارید تا هوا اجازه  ی خروج از بادکنک را نداشته باشد. از همراه خود بخواهید محیط بادکنک (در وسیع  ترین بخش آن) را اندازه بگیرد. سپس مقدار باد داخل بادکنک را طوری تنظیم کنید تا محیط آن در محدوده  ی نیم اینچ کمتر یا بیشتر از محیط بادکنک اول قرار بگیرد. برای این کار ممکن است لازم باشد کمی از هوای داخل بادکنک را خالی کنید و یا در آن بدمید. حال سر بادکنک را خوب ببندید.

روش کار:

قسمت بالای یکی از بادکنک  ها را نگاه کنید. در بالاترین قسمت بادکنک نقطه  ای تیره  تر از سایر نقاط دیده می  شود. با ماژیک به دقت نقطه  ای در وسط این ناحیه  ی تیره بکشید.
 سپس یک متر اندازه  گیری پارچه (و یا یک نخ و متر معمولی یا خط  کش) بردارید و با دقت با ماژیک دو خط کوچک در بالای بادکنک با فاصله  ی دو و نیم اینچ از هم به طوری که نقطه  ی تیره در میان آنها باشد رسم کنید. برای انجام این کار، می  توانید متر اندازه  گیری را طوری در قسمت بالایی بادکنک قرار دهید که نقطه  ی 1.25 اینچ مطابق با نقطه  ی تیره  ی میانی باشد، سپس دو خط کوچک در اندازه  های صفر و دو و نیم اینچ رسم کنید.
 همین کار را با بادکنک دوم انجام دهید تا دو خط کوچک به فاصله  ی دو و نیم اینچ از هم در بالای بادکنک رسم شوند.
 روی بادکنک اول عدد 1 و روی بادکنک دوم عدد 2 را با ماژیک بنویسید.
 از آنجا که ممکن است رسم خط  های کوچک با ماژیک دشوار باشد، پس از رسم آنها با متر فاصله  ی دقیق دو خط را اندازه بگیرید. این عدد را برای هر دو بادکنک روی کاغذ یادداشت کنید. به نظر شما چرا دانستن فاصله  ی دقیق بین این دو خط اهمیت دارد؟

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

 بادکنک شماره  ی یک را داخل فریزر در فضایی که آماده کرده  اید بگذارید. به مدت 45 دقیقه آن را در فریزر نگه دارید. در طول این مدت در فریزر را باز نکنید. به نظر شما ابعاد بادکنک در اثر ماندن در فریزر چه تغییری می  کند؟
 در این مدت که بادکنک اول داخل فریزر است، بادکنک شماره  ی دو را در جایی با دمای معمولی (دمای اتاق) و دور از نور مستقیم خورشید و لامپ قرار دهید.
 پس از گذشت 45 دقیقه از قرار گرفتن بادکنک اول در فریزر، متر اندازه  گیری خود را داخل فریزر ببرید و همانطور که بادکنک داخل فریزر است، به سرعت فاصله  ی بین دو خطی که رسم کرده  اید را اندازه بگیرید. آیا فاصله  ی بین دو خط تغییر کرده است؟ این تغییر در ابعاد بادکنک چه چیزی را نشان می  دهد؟
 حال فاصله  ی بین دو خط کوچک در بادکنک دوم را که در دمای اتاق قرار داشته است اندازه بگیرید. آیا فاصله  ی بین دو خط تغییر کرده است؟ این تغییر در ابعاد بادکنک چه چیزی را نشان می  دهد؟
 به طور کلی، ابعاد بادکنکی که در فریزر قرار دارد چه تغییری می  کند؟ نتایجی که به دست آورده  اید چه چیزی را در مورد تغییر حجم گاز تحت تأثیر دما بیان می  کند؟

آزمایش  های تکمیلی:

بادکنکی که داخل فریزر بوده است را به مدت 45 دقیقه در دمای اتاق قرار دهید تا به دمای عادی برسد. حال مجدداً فاصله  ی بین دو خط را اندازه بگیرید. آیا ابعاد بادکنک تغییری کرده است؟
 این فعالیت را یک مرتبه  ی دیگر انجام دهید، اما این بار به جای قرار دادن بادکنک شماره  ی یک در فریزر، آن را به مدت 45 دقیقه در محیطی گرم مانند هوای بیرون از خانه یا داخل اتومبیل در یک روز گرم قرار دهید. دقت داشته باشید که بادکنک نباید در معرض تابش مستقیم خورشید و یا در نزدیکی لامپ داغ باشد، چرا که سبب خروج گاز از بادکنک می  شود. آیا ابعاد بادکنک پس از قرار گرفتن در هوای گرم دچار تغییر می  شود؟
 در این فعالیت علمی، شما از هوای داخل ریه  هایتان برای پر کردن بادکنک استفاده کردید. اما سایر گازها ممکن است رفتار دیگری داشته باشند. می  توانید بار دیگر این فعالیت را انجام دهید و از گاز هلیوم برای پر کردن بادکنک  ها استفاده کنید. استفاده از گاز هلیوم چه تأثیری در نحوه  ی تغییر حجم بادکنک پس از قرار گرفتن داخل فریزر دارد؟

انقباض و انبساط گازها در اثر تغییر دما

در عالم نیز همین قوانین و پدیده ها که در دنیای میکروسکپی آزمایش کردید می افتد.

مشاهده و نتیجه  گیری:

آیا بادکنک شماره  ی یک که داخل فریزر قرار دارد در مقایسه با بادکنک شماره دو که در دمای اتاق است منقبض می شود؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که زمانی که بادکنک را داخل فریزر می  گذارید، فاصله  ی بین دو خط مقدار بسیار کمی کاهش می  یابد و از 2.5 اینچ به 2.25 اینچ می  رسد (در حدود ده درصد کاهش)؛ بادکنک منقبض می  شود. فاصله  ی بین دو خط در بادکنکی که در دمای اتاق قرار دارد تغییر خاصی نمی  کند (و یا کاهش بسیار ناچیزی دارد.)، به این معنا که ابعاد بادکنک تغییر قابل توجهی ندارد. بادکنکی که در فریزر قرار دارد دچار انقباض می شود چرا که با کاهش دما، متوسط انرژی جنبشی مولکول  های گاز داخل بادکنک کم می شود.

در نتیجه مولکول  های گاز با سرعت کمتری داخل بادکنک حرکت می  کنند و برخورد میان آنها ضعیف  تر و تعدادشان کمتر می  شود. به همین دلیل ابعاد بادکنک کمی کاهش می  یابد. اما اگر همین بادکنک را مجدداً در هوای اتاق بگذارید، ابعاد آن برابر با ابعاد بادکنکی می  شود که در دمای اتاق نگه داشته  اید. دلیل آن است که متوسط انرژی جنبشی در اثر افزایش دما زیاد می  شود و مولکول  ها با سرعت بیشتری حرکت می کنند و برخورد بیشتری با دیواره  داخلی بادکنک خواهند داشت.

منبع: How Gases Contract and Expand

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان،تنظیم:نیلوفر یاقوتی
UserName