Domowe laboratorium termodynamiczne.
1. Miernik ciśnienia – manometr rurkowy Materiały: Około 0,5 m. przeźroczystej, giętkiej rurki (plastikowy wężyk), karton, drut lub grubsza nić, stelaż mocujący (niewielki kawałek deseczki), pinezki. Wykonanie: Na kartonie rysujemy podziałkę np. z dokładnością do 0,5 cm. Rurkę formujemy w kształt litery U i przyczepiamy do kartonu z podziałką. Następnie rurkę napełniamy zabarwioną wodą (barwnikiem może być atrament lub nadmanganian potasu). Całość przyczepiamy do deseczki, która ustawi karton w pionie. Jedną z końcówek plastikowej rurki zakrzywiamy pod kątem 90°, ostrożnie ogrzewając ją nad płomieniem palnika (np. nad płomieniem kuchenki gazowej). Końcówka ta ułatwi podłączanie dodatkowych urządzeń.
Zdjęcie przedstawia manometr wykonany z przeźroczystej plastikowej rurki zamontowanej na kartonie z podziałką według powyższej instrukcji. Środkowa kreska oznacza zerowy punkt odniesienia, względem którego będziemy liczyć różnicę poziomów. Podziałka została naniesiona co 0,5 cm. Należy pamiętać, że różnicę ciśnień pomiędzy jedną i drugą końcówką „u-rurki” wskaże słupek cieczy pomnożony przez dwa – różnica w poziomach.
Przemiana izochoryczna
Do jednej końcówki manometru podłączamy szczelnie zamknięty zbiornik z powietrzem. Z przemiany izochorycznej wynika, że podczas ogrzewania ciśnienie w zbiorniku powinno wzrosnąć proporcjonalnie do temperatury.
Do jednej z końcówek manometru podłączamy zbiornik z powietrzem, którego temperatura jest taka sama jak otoczenia (około 20°C).
Do zbiornika zbliżamy ręce i delikatnie przytrzymujemy (nie naciskamy na ścianki) aż do ustabilizowania słupka cieczy w manometrze. Pod wpływem ciepła rąk wzrasta temperatura w zbiorniku powodując wzrost ciśnienia. Manometr wskazał różnicę poziomów 2 cm.
Zbiornik z manometrem wystawiamy na dwór (zdjęcie powyżej). Temperatura w zbiorniku obniża się do temperatury otoczenia – około 0°C. Obniżenie temperatury w zbiorniku powoduje obniżenie ciśnienia, co wskazał manometr (różnica poziomów wyniosła aż 12 cm słupa wody).
Przemiana adiabatyczna
Celem eksperymentu jest sprawdzenie w warunkach domowych efektów przemiany adiabatycznej – bez wymiany ciepła z otoczeniem.
Materiały: Szklany słój z dodatkowym otworem, korek, wężyk gumowy, pompka samochodowa, ciecz łatwo parująca (np. denaturat, rozpuszczalnik, aceton).
Przebieg eksperymentu: Na dno szklanego słoja wlewamy niewielką ilość denaturatu. Następnie szczelnie zamykamy słój i za pomocą pompki sprężamy powietrze. Po wykonaniu kilkunastu ruchów pompką szybko wyciągamy korek. Następuje gwałtowne rozprężenie gazu, co powoduje jego ochłodzenie i skroplenie par rozpuszczalnika. W słoju powstaje gęsta mgła.
Na zdjęciach przedstawiono przebieg eksperymentu:
1 - słój z niewielką ilością alkoholu zatykamy szczelnie korkiem,
2 - za pomocą pompki sprężamy gaz w słoju.
3 - Szybkim ruchem usuwamy korek, następuje gwałtowne rozprężenie gazu, czego skutkiem jest ochłodzenie i skroplenie pary alkoholu. W słoju pojawia się gęsta mgła.
Przemiana izobaryczna
Celem eksperymentów jest sprawdzenie w domowym laboratorium jakie są (mogą być) skutki przemian izobarycznych, tzn. przemian przy stałym ciśnieniu.
Eksperyment I
Materiały: Miska, szklany słoik, pokrywka, woda, świeca.
Wykonanie:
Do miski wlewamy wodę do wysokości ok. 1 cm od dna (zdjęcia poniżej). Na podwyższeniu, np. pokrywce, ustawiamy zapaloną świecę, którą nakrywamy szklanym słojem. Brzegi słoja zanurzają się w wodzie uszczelniając w ten sposób wnętrze słoja od otoczenia. Na początku eksperymentu temperatura wewnątrz słoja jest taka sama jak na zewnątrz, jednak z upływem czasu zaczyna rosnąć (ogrzewana płomieniem świecy). Zamknięcie hydrostatyczne utrzymuje ciśnienie w słoju na stałym poziomie, dlatego podczas ogrzewania możemy zaobserwować wydobywające się banieczki ciepłego powietrza. Po zgaśnięciu świecy temperatura w słoju zaczyna się obniżać powracając do temperatury wyjściowej – temperatury otoczenia. Obserwując ten proces możemy zauważyć, że woda zostaje zassana do słoja. Dokonując pomiaru różnicy w poziomie wody, słój – misa (Δh), możemy obliczyć, jaka była maksymalna temperatura w słoju. Wnikliwy obserwator zapewne zauważył, że w tym doświadczeniu mamy do czynienia z pewnym odstępstwem od fundamentalnego założenia, które leży u podstaw praw przemian gazowych. Mianowicie, wszystkie prawa gazowe stosują się do ustalonej masy gazu, a w opisanym przypadku ten warunek nie jest ściśle spełniony – reakcje chemiczne wewnątrz zbiornika oraz „uciekający” gaz.
Eksperyment II
Materiały: Strzykawka plastikowa o dużej pojemności, gumowa rurka, klips do prania.
Wykonanie:
Tłok w strzykawce ustawiamy w pozycji wysuniętej do 1/4. Następnie szczelnie zamykamy wlot strzykawki za pomocą rurki i klipsa do prania (zdjęcia poniżej, ryc. 1). Układ umieszczamy w zamrażarce (–20°C), po minucie wyciągamy go i odczytujemy położenie tłoka (ryc. 2). Następnie strzykawkę zanurzamy w gorącej wodzie (około 80°C) i po kilkudziesięciu sekundach odczytujemy położenie tłoka.
Przemiana izotermiczna
Materiały: Strzykawka plastikowa o dużej pojemności, gumowa rurka, klips do prania, woda.
Wykonanie: Do strzykawki wprowadzamy poprzez rurkę gorącą wodę (80°C), pozostawiamy ją chwilę (20 s) w strzykawce, następnie usuwamy naciskając tłok. Czynność powtarzamy przynajmniej trzykrotnie, zapewni to równomierne nagrzanie całego zestawu. Następnie nadmiar wody usuwamy, pozostawiając jej około 3 cm3 , zatykamy rurkę klipsem i odciągamy tłok do skrajnego położenia. Zwiększając objętość, obniżamy ciśnienie, co wywołuje wrzenie wody w temperaturze znacznie niższej 100°C . Po zwolnieniu, tłok wraca na swoje miejsce, wrzenie wody ustaje .
Zdjęcia powyżej ilustrują przebieg eksperymentu – przemianę izotermiczną, w wyniku której podczas obniżania ciśnienia, doprowadzamy wodę do stanu wrzenia. Podobne eksperymenty można przeprowadzać z cieczami, które mają niższą temperaturę wrzenia od wody np. denaturat. Wtedy wystarczy podgrzać całość do 40-50 C.
Styczeń 2023
