Вход и выход: демонстрация закона Бойля

Напряженный научный проект от Science Buddies

Ключевые идеиФизикаГазДавлениеОбъемЗакон Бойля

Введение Вероятно, вы раньше открывали газировку, и жидкость выливалась прямо из бутылки, создавая огромный беспорядок. Почему это происходит? Это связано с углекислым газом, который добавляется в жидкость, чтобы сделать ее шипучей. Открытие бутылки сбрасывает образовавшееся внутри нее давление, в результате чего газожидкостная смесь выбрасывается из бутылки. В этом упражнении вы продемонстрируете (с помощью воздушных и водяных шариков), как газ меняет объем в зависимости от его давления.

Фон Разница между твердыми телами, жидкостями и газами заключается в том, как ведут себя частицы (молекулы или атомы). Частицы в твердых телах обычно плотно упакованы и имеют регулярную структуру. Хотя частицы в жидкости также расположены близко друг к другу, они способны свободно перемещаться. Однако частицы газа широко разбросаны и занимают много места. Они продолжают распространяться на любое доступное пространство. Это означает, что в отличие от жидкостей и твердых тел объем газа не фиксирован. Роберт Бойль, химик и физик 17-го века, обнаружил, что объем газа, то есть то, сколько места он занимает, связан с его давлением — и наоборот. Он обнаружил, что если вы создадите давление на газ, его объем уменьшится. Если вы уменьшите его давление, его объем увеличится.

Вы можете наблюдать реальное применение закона Бойля, когда наполняете велосипедные шины воздухом. Когда вы нагнетаете воздух в шину, молекулы газа внутри шины сжимаются и сжимаются ближе друг к другу. При этом увеличивается давление газа, и он начинает давить на стенки шины. Вы можете почувствовать, как шина становится более герметичной и плотной. Другой пример — бутылка из-под газировки. Чтобы поместить углекислый газ в жидкость, всю бутылку обычно герметизируют газом. Пока бутылка закрыта, ее очень трудно сжать, так как газ ограничен небольшим пространством и прижимается к стенкам бутылки. Однако когда вы снимаете крышку, доступный объем увеличивается и часть газа выходит. При этом его давление снижается.

Одним из важных проявлений закона Бойля является наше собственное дыхание. Вдох и выдох в основном означают увеличение и уменьшение объема грудной клетки. Это создает низкое и высокое давление в наших легких, в результате чего воздух засасывается в легкие и покидает их. В этом упражнении вы создадите собственную демонстрацию закона Бойля.

Материалы

Подготовка

Процедура

Наблюдения и результаты Вы видели, как воздух внутри наполненного воздухом воздушного шара сжимается и расширяется? Не закрывая пальцем кончик шприца, можно легко надавить на поршень. Воздух может выйти через отверстие на кончике шприца. Но когда вы закроете шприц пальцем, воздух больше не сможет выйти. Если вы нажмете на поршень, вы увеличите давление воздуха, и, таким образом, воздух в баллоне сожмется или уменьшится в объеме. Вы должны были увидеть, как наполненный воздухом воздушный шар сморщился и стал меньше в размерах. Обратное происходит, когда вы закрываете отверстие шприца и оттягиваете поршень назад. На этот раз вы уменьшаете давление воздуха внутри шприца — и его объём увеличивается. В результате наполненный воздухом воздушный шар расширяется и увеличивается в размерах: прекрасная демонстрация закона Бойля!

Результаты выглядят иначе с шариком, наполненным водой. Хотя вы сжимаете воздух внутри шприца, нажимая на поршень, вода внутри баллона не сжимается. Размер шарика остался прежним. Водный шарик также сохраняет свою форму при вытягивании поршня и закрытии кончика шприца. В отличие от газов, жидкости несжимаемы, поскольку их частицы уже расположены очень близко друг к другу. Закон Бойля применим только к газам.

Если вы также наполнили шприц водой, вы все равно должны были увидеть, как наполненный воздухом баллон сжимается при вдавливании поршня в шприц. Наполненный воздухом баллон также должен был расшириться при вытягивании поршня, когда кончик шприца был закрыт. Однако вы могли заметить, что не можете толкать и вытягивать поршень настолько далеко, насколько это возможно, в шприце, наполненном воздухом. Это опять-таки связано с тем, что жидкости не могут сжиматься, как газы. Вы должны были заметить это также при попытке вставить или вытянуть поршень в наполненный водой шприц с наполненным водой баллоном. Наверное, невозможно было двигать поршень внутрь и наружу!