Rozszerzalność ciepła: doświadczenia

Zosia była na przyjęciu urodzinowym i dostała balon. Dzisiaj jest zimno i gdy Zosia wraca wraz z Marią do domu, jej balon zaczyna się zmieniać. O nie! Mój balon kurczy się! Czy ucieka z niego powietrze?

Nie martw się Zosiu! Gaz w balonie zajmuje teraz mniej miejsca, ponieważ jest zimno. Wracajmy do domu i pokażę ci dokładnie jak to działa! W domu Maria bierze szklaną butelkę z wąską szyjką, dwie miseczki, wagę kuchenną i nowy balon prosto z paczki. Do jednej miseczki nalewa gorącej wody, a do drugiej zimnej wody z lodem.

Maria rozciąga koniec balonika i naciąga go na szyjkę butelki, a potem dobrze go zabezpiecza. W taki sposób Maria uszczelnia butelkę i zatrzymuje w niej powietrze. Maria waży butelkę. Jej waga wynosi 200 gram. Waga to masa butelki, powietrza uwięzionego wewnątrz niej oraz balonika.

Następnie Maria powoli umieszcza butelkę w gorącej wodzie. Balon zaczyna rosnąć! Maria znowu waży butelkę. Jest waga jest dokładnie taka sama jak wcześniej! Oznacza to, że ilość powietrza wewnątrz nie zmieniła się.

Jednak w jakiś sposób powietrze wypełniło balonik. Jak to możliwe? Gdy Maria umieszcza butelkę w gorącej wodzie, ciepło pochodzące z wody przechodzi do powietrza w butelce. Cząsteczki gazu w butelce zaczynają poruszać się szybciej i oddalają się od siebie. Oznacza to, że objętość gazu wewnątrz butelki zwiększyła się.

Dlatego właśnie balon rośnie! Powietrze wewnątrz butelki zajmuje więcej miejsca z powodu wyższej temperatury. To zjawisko znane jest jako rozszerzalność cieplna. Następnie Maria bierze tą samą butelkę i umieszcza ją w zimnej wodzie z lodem. Balon od razu robi się mniejszy, tak jakby uchodziło z niego powietrze.

Kiedy dziewczyny ważą butelkę, okazuje się, że jej waga wcale się nie zmieniła. Oznacza to, że wewnątrz musi być tyle samo powietrza, co wcześniej. Gdy Maria umieszcza butelkę w zimnej wodzie, butelka oraz powietrze wewnątrz schładzają się. Cząsteczki poruszają się wolniej i zbliżają się do siebie. Powietrze zajmuje teraz mniej miejsca, także balonik kurczy się.

Spadająca temperatura sprawia, że powietrze zajmuje mniej miejsca. To samo dzieje się z cieczami i ciałami stałymi! Sprawdźmy! Weźmy termometr. Ma on zbiornik wypełnioną kolorowym płynem oraz połączoną z nim bardzo wąską rurkę, czyli kapilarę.

Zwróćcie uwagę na poziom cieczy w kapilarze. Następnie umieśćmy termometr w kubeczku z gorącą wodą, a potem z zimną wodą. Czy zauważyliście zmianę poziomu cieczy wewnątrz kapilary? Tak samo jak w balonie, tak i w termometrze ciecz rozszerza się, gdy rośnie temperatura i kurczy się, gdy temperatura spada. A więc to tak działa termometr!

Aby zaobserwować jak rozszerzają się ciała stałe musimy przeprowadzić następujący eksperyment. Posłużymy się w nim dwoma przedmiotami: metalową kulką oraz metalowym pierścieniem. W temperaturze pokojowej średnica kulki jak i pierścienia jest prawie taka sama, ale kulka może swobodnie przechodzić przez pierścień. Teraz podgrzewajmy metalową kulkę przez kilka minut. Następnie sprawdźmy, czy kulka może dalej przechodzić przez pierścień.

Teraz jest za już duża! Podgrzany metal zwiększył swoją objętość, czyli rozszerzył się. Ale gdy umieścimy kulkę w zimnej wodzie, będzie ona mogła znowu swobodnie przechodzić przez pierścień! Zosia, popatrz! Kiedy weszłyśmy do domu, aby przeprowadzić nasze eksperymenty, twój balon znowu stał się tak duży, jak wcześniej!

Huuuura!