Теплове розширення: експерименти

Софія була на дні народження і отримала повітряну кулю. Сьогодні холодно, і коли вони з Марією йдуть додому, повітряна куля починає змінюватися у розмірі. О ні! Моя куля здувається! Повітря виходить? Софіє, не хвилюйся! Оскільки зараз холодно, газ у кулі займає менше місця. Ходімо додому, я покажу, в чому справа! Вдома Марія дістає скляну пляшку з вузькою шийкою, дві миски, кухонні ваги, і нову повітряну куля з пакета. Вона наповнює одну миску гарячою водою, а іншу миску холодною водою з льодом. Марія розтягує вузький кінець кулі навколо шийки пляшки і щільно закріплює. Отже пляшка герметично закрита, повітря затримується всередині. Вона ставить пляшку на ваги – важить 200 грам. Ця вага є сукупною масою пляшки, кулі і повітря всередині. Потім Марія обережно опускає пляшку в гарячу воду. Повітряна куля починає надуватися! Марія знову зважує пляшку. Вона важить так само, як і раніше! Це означає, що кількість повітря залишилася незмінною. Але повітря якимось чином надуло кулю. Як? Коли Марія опускає пляшку в гарячу воду, тепло від води переходить до повітря всередині пляшки. Частинки газу починають рухатися швидше і розтягуватися у просторі пляшки. Це означає, що обсяг газу всередині збільшується. Ось чому повітряна куля надувається! Повітря всередині пляшки розширюється через підвищення температури. Це явище відоме як теплове розширення. Потім Марія бере ту ж пляшку і опускає її в крижану воду. Повітряна куля миттєво сдувається, ніби все повітря із неї вийшло. Коли дівчата зважують пляшку, маса знов залишається без змін. Це означає, що всередині має бути теж саме повітря. Коли Марія кладе пляшку в холодну воду, і пляшка, і повітря в ній охолоджуються. Частинки сповільнюються і набижуються одна до одної. Повітря займає менше місця, і повітряна куля здувається. Зниження температури призводить до стискання повітря. Те ж саме може відбуватися з рідинами і твердими тілами! Дивись! Візьми термометр. Він має колбу, наповнену забарвленою рідиною, до якої приєднана дуже вузька трубка — капіляр. Зверни увагу на рівень рідини в капілярі. Потім поклади термометр спочатку в чашку з теплою водою, потім в холодну воду. Чи помітила якісь зміни в рівні рідини всередині капіляра? Як повітря у кулі, рідина всередині капіляра термометра розширюється за підвищення температури, і стискається під час зниження температури. Саме так працює термометр! Щоб побачити розширення твердих тіл, розглянемо цей експеримент. У ньому беруть участь два об'єкти: металева куля і металеве кільце. За кімнатної температури, діаметри кулі і кільця майже однакові, але куля може з легкістю пройти через кільце. Тепер розігріваємо кулю упродовж декількох хвилин. Спробуй знов пропустити її через кільце. Не влазить! Нагрітий метал збільшився в об’ємі — розширився. Але нехай куля охолоне в холодній воді, і вона ще раз легко пройде крізь кільце! Софіє, дивись! Оскільки ми зайшли додому, щоб виконати ці експерименти, твоя повітряна куля повернулася до нормального розміру! Ура!