نشاط عملي يوّضح العلاقة بين درجة الحرارة والضغط والحجم لغاز ما

2011 تجارب علمية داخل المادة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

درجة حرارة الغاز ضغط الغاز حجم الغاز الفيزياء

الأهداف

1. فهم الطريقة التي يؤثر فيها الحجم ودرجة الحرارة والضغط على بعضها البعض.

2.استخدام الضغط لتكوين غيمة داخل إناء.

 

الأدوات التي تحتاجها

– إناء زجاجي كبير ومتين

– كوب قياس

– ماء

– شمعة

– قفاز مطاطي

 

خطوات العمل:

1- اسكب مقدار ربع كوب تقريباً من الماء في الإناء الزجاجي.

2- اقلب القفاز المطاطي بحيث يصبح وجهه الداخلي للخارج. ضع شمعة عائمة داخل الإناء واطلب من أحد الكبار إشعال الشمعة. أطفئ الشمعة بعد ثوان قليلة بالنفخ على لهبها وسارع إلى شدّ فتحة القفاز وابسطه فوق عنق الإناء بحيث يغطي العنق بالكامل.

3- بعد انطفاء لهب الشمعة، أدخل يدك في القفاز داخل الإناء.

4- اثنِ أصابعك على شكل قبضة ثم اسحبها نحو الأعلى ولكن مع إبقائها داخل الإناء، بينما تثبته باليد الأخرى. انظر إلى الإناء خلال هذه العملية.

5- يجب أن ترى غيمة تتكوّن داخله. تأكد من إبقاء القفاز مثبتاً بإحكام حول عنق الإناء. يجب أن تختفي الغيمة عندما تتوقف عن عملية السحب أو الشدّ نحو الأعلى. كرر التجربة ولكن ضع القفاز هذه المرة فوق الإناء أثناء اشتعال الشمعة وانتظر انطفاء اللهب من تلقاء ذاته.

عندما ينطفئ اللهب، أدخل يدك في القفاز واسحبها من الإناء كما فعلت المرة الماضية. هل ترى أي تغيرات داخل الإناء هذه المرة؟

 

إذا أردت اكتشاف العلاقة بين درجة الحرارة والضغط والحجم لغاز ما، حاول تغيير درجة حرارة الهواء داخل الإناء الزجاجي وراقب ما سيحدث.

وبإمكانك أيضاً تبريد الهواء الموجود في الإناء بسهولة، وذلك بوضع الإناء نفسه في الثلاجة بعد انطفاء لهب الشمعة، أو قم بتسخين هذا الإناء الزجاجي بوضعه في وعاء من الماء الدافئ.

 

كما تستطيع أيضاً استعمال عجلة دراجة ومضخة هواء يدوية لاستكشاف العلاقة بين درجة الحرارة والضغط، وقد تحتاج إلى مساعدة أحد الأصدقاء من أجل إجراء هذه التجربة البسيطة.

أولاً، اطلب من صديقك تشغيل المضخة اليدوية ونفخ الهواء منها على يدك. يجب أن يكون الهواء المنبعث من المضخة أبرد من الهواء المحيط بك.

تحسس الآن درجة حرارة العجلة – ينبغي ألاّ تكون الدراجة مستعملة لفترة من الزمن وإلا فإن العجلات ستكون ساخنة بسبب احتكاكها مع الأرض.

 

ما العمل إذا لم تظهر الغيمة في الإناء في الخطوة رقم (4)؟

ينبغي أن يكون القفاز مثبتاً بإحكام على حواف عنق الإناء كي يشكل مانع تسرّب.

وقد يكون مانع التسرب الذي استعملته سيئاً، بمعنى أن القفاز ربما كان مثقوباً أو غير مشدود بإحكام حول عنق الإناء.

حاول استعمال القفاز الآخر من زوج القفازات المتوافر لديك وثبت فتحته على حافة عنق الإناء بواسطة حلقة مطاطية.

 

تحليل النشاط

لابدّ أنك شاهدت في هذا النشاط الرئيس كيف تتكوّن الغيمة داخل الإناء الزجاجي عند سحب القفاز.

إن دفع القفاز ثانية داخل الإناء سيجعل الغيمة تختفي. تنتشر جزيئات الماء في الهواء على شكل غاز غير مرئي أو بخار، وعندما تسحب القفاز فإنك تجبر الهواء الموجود داخل الإناء على التمدد، ويؤدي ازدياد حجم الغاز إلى إنقاص الضغط وبالتالي يبرد الهواء داخل الإناء.

عندما تبرد الجزيئات الموجودة في بخار الماء وتتباطأ حركتها فإنها تصبح قادرة على الالتصاق ببعضها بسهولة أكبر، لذلك تبدأ هذه الجزيئات بالتجمع ضمن قطرات صغيرة جداً.

 

وتساعد جسيمات دخان الشمعة في الإناء على تحقيق تلك العملية لأن جسيمات الدخان تقوم بتوفير السطح اللازم الذي تتكوّن عليه قطيرات الماء.

عندما تدفع القفاز ثانية داخل الإناء فإنك تزيد الضغط في الإناء ما يؤدي إلى تسخين الهواء فتختفي الغيمة عندما تعود القطيرات لتتحول ثانية إلى بخار.

وتتكوّن الغيوم بالطريقة ذاتها تماماً في الغلاف الجوي حيث تتكاثف في مناطق الضغط المنخفض حول جسيمات الغبار الموجودة في الهواء.

 

إن احتراق الشمعة داخل الإناء المسدود بإحكام بواسطة القفاز يزيد من مقدار بخار الماء داخل الإناء أيضاً. (ينتج بخار الماء عن احتراق الشمع). ومع ازدياد الهواء المشبع بالبخار يجب أن تتكوّن الغيمة بسهولة أكبر من السابق.

إذا تركت القفاز معلقاً داخل الإناء وقمت بتسخين الإناء بوضعه، على سبيل المثال، في وعاء من الماء الحار ستجد أن القفاز بدأ يندفع إلى خارج الإناء.

تؤدي الطاقة الحرارية الزائدة في الهواء إلى مزيد من اصطدام الجزيئات مع بعضها، ما يزيد الضغط الذي يجعل الغازات تملأ حجماً أكبر.

 

وفي تجربة عجلة الدراجة ستشعر أن المضخة والعجلة أصبحتا أكثر سخونة بعد ضخ الهواء. تعمل المضخة بضغط الهواء ودفعه من خلال فوهة تنفث الهواء إلى الخارج، وهذا ما يرفع ضغط الهواء ودرجة حرارته أيضاً.

عندما تنفث المضخة الهواء في العجلة فإن الضغط داخل العجلة سيزداد أيضاً بما أن صمامها يسمح بدخول الهواء فقط وعدم خروجه منها، وهذا الارتفاع في الضغط هو الذي يجعل العجلة أكثر سخونة.

 

آثار البخار

إن بخار الماء غاز غير مرئي لكننا نستطيع رؤيته أحياناً في الهواء عندما يتحول من غاز إلى سائل، فآثار البخار الواضحة خلف طائرة نفاثة هي مثال على ذلك.

عند احتراق وقود الطائرة، يتحول إلى غازات حارة بما فيها بخار الماء.

وحين يندفع البخار من الطائرة، يتحول إلى ماء وجليد لدى ملامسته للهواء البارد خارج الطائرة، وهذا يشكل الآثار الطويلة والرقيقة التي تشبه الغيوم التي تتبع طائرة تحلق على ارتفاعات شاهقة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]