کشف رابطهی گرما و انبساط هوا: ساخت «دماسنج دستساز» با یک بطری!
مقدمه:
تا به حال فکر کردهاید چرا در روزهای گرم، بادکنک کمی بادتر میشود؟ یا چرا لولههای آب در تابستان نیاز به فضای بیشتری دارند؟ این آزمایش ساده و کمهزینه، راز پشت این پدیدهها را فاش میکند! شما با وسایلی که احتمالاً در خانه دارید، یک «دماسنج» اولیه میسازید و مفهومی فیزیکی به نام انبساط را با چشمان خود میبینید.
هدف از انجام آزمایش:
- مشاهدهی مستقیم انبساط هوا در اثر گرما.
- درک این مفهوم که هوا (و به طور کلی گازها) با گرم شدن، حجم بیشتری اشغال میکنند (منبسط میشوند).
- آشنایی مقدماتی با کارکرد برخی دماسنجهای قدیمی.
وسایل مورد نیاز:
- یک بطری شیشهای شفاف و خالی (مانند بطری سس یا مربا) – این همان «بالن» شماست.
- یک چوبپنبه یا درپوش پلاستیکی که دهانهی بطری را کاملاً ببندد.
- یک نی نوشیدنی باریک و ترجیحاً شفاف – این همان «لوله شیشهی باریک» شماست.
- آب.
- رنگ خوراکی (اختیاری، اما برای مشاهدهی بهتر توصیه میشود).
- یک ظرف برای آب رنگی.
- خمیر بازی یا مقداری خمیر نان (برای آببندی).
روش انجام آزمایش (گام به گام):
مرحله ۱: آمادهسازی
- بطری را تا حدود یکسوم از آب پر کنید.
- چند قطره رنگ خوراکی به آن اضافه کنید و خوب هم بزنید. (حالا سطح آب در بطری به راحتی دیده میشود).
- چوبپنبه را سوراخ کنید تا نی از آن عبور کند. سوراخ باید به اندازهای باشد که نی کاملاً در آن چفت شود و از اطراف درز نداشته باشد.
- نی را از داخل چوبپنبه عبور دهید و آن را طوری قرار دهید که وقتی چوبپنبه روی بطری بسته میشود، سر دیگر نی داخل آب رنگی قرار بگیرد، اما به کف بطری نخورد.
مرحله ۲: مونتاژ و آببندی (مهم!)
- چوبپنبهای را که نی به آن متصل است، محکم روی دهانهی بطری ببندید.
- دور تا دور محل اتصال نی و چوبپنبه، و همچنین لبهی چوبپنبه و بطری را با خمیر بازی کاملاً آببندی کنید. مطمئن شوید هیچ منفذی برای خروج هوا وجود ندارد. تمام هوای بالای آب در بطری، باید کاملاً محبوس شود.
مرحله ۳: انجام آزمایش و مشاهده
- دستگاه خود را روی یک سطح صاف قرار دهید و سطح آب داخل نی را نگاه کنید. با یک ماژیک روی نی علامت بزنید.
- حالا کف هر دو دست خود را به مدت حدود ۳۰ ثانیه تا ۱ دقیقه، محکم به بدنهی شیشهای بطری بچسبانید. صبر کنید و به سطح آب در نی نگاه کنید…
- جادوی علم اتفاق میافتد! خواهید دید که ستون آب رنگی داخل نی، به آرامی شروع به بالا آمدن میکند!
- دستان خود را بردارید و صبر کنید. خواهید دید که ستون آب دوباره پایین میرود.
چه اتفاقی افتاد؟ (تفسیر علمی)
هوای محبوس در بطری (فضای بالای آب) از مولکولهای گاز تشکیل شده است. وقتی شما با دستان گرم خود بطری را لمس میکنید، انرژی گرمایی دستهایتان به شیشه و سپس به هوای داخل منتقل میشود.
با دریافت این انرژی، مولکولهای گاز سریعتر حرکت میکنند و به یکدیگر و دیوارهی بطری با نیروی بیشتری برخورد میکنند. این برخوردهای پرانرژی به معنای افزایش فشار هوا در داخل بطری است. این هوای تحت فشار (که حالا حجم بیشتری میخواهد) به سطح آب درون بطری فشار وارد میکند و آن را مجبور میکند که به تنها مسیر خروجی، یعنی نی باریک، فرار کند. به همین دلیل ستون آب در نی بالا میرود.
وقتی دست خود را برمیدارید، هوای داخل به تدریج گرمای خود را از دست میدهد، مولکولها آرامتر میشوند، فشار کم میشود و ستون آب پایین میآید. شما عملاً یک سیستم بسته از گاز (هوا) را گرم و سرد کردید و اثر آن را اندازهگیری کردید!
نکات ایمنی:
- از بطری شیشهای تمیز و بدون ترک استفاده کنید.
- در استفاده از رنگهای خوراکی احتیاط کنید تا لباس یا سطوح رنگی نشوند.
- نی را تیز نکنید تا باعث بریدگی نشود.
کاربرد در دنیای واقعی:
- دماسنج های الکلی و جیوهای قدیمی دقیقاً بر همین اصل کار میکنند. با گرم شدن، مایع داخل محفظه منبسط شده و در لولهی باریک بالا میرود.
- ترموسهای (فلاسکهای) نگهدارنده: با ایجاد خلاء بین دو جداره، انتقال گرما از طریق هوا را حذف میکنند.
- بالن های هواشناسی که با گرم شدن هوا پر میشوند و بالا میروند.
سوال برای فکر کردن:
اگر به جای دست، یک تکه یخ یا دستمال خیس و سرد را دور بطری بگذارید، فکر میکنید ستون آب در نی چه واکنشی نشان دهد؟ چرا؟ (پاسخ: پایین میرود، چون هوا منقبض میشود).