Η επίδραση της θερμότητας: απλά πειράματα με στερεά, υγρά και αέρια Teach article

Μετάφραση από Λορέντζο Δημήτριο (Lorenzo Dimitrios). Από ένα αυτοσχέδιο θερμόμετρο μέχρι βελόνες πλεξίματος που μεγαλώνουν: εδώ θα βρείτε μερικά απλά αλλά διασκεδαστικά…

Γιατί οι ελέφαντες εκτοξεύουν νερό πάνω στη ράχη τους; Πώς δημιουργείται η ομίχλη; Και για ποιο λόγο τα τρένα κάνουν τον χαρακτηριστικό ήχο όταν διέρχονται πάνω από τις ράγες; Οι μαθητές σας θα έχουν απαντήσεις σε όλα αυτά τα ερωτήματα όταν καταλάβουν πώς η θερμότητα επηρεάζει τα στερεά, υγρά και αέρια. Σε αυτήν την μικρή συλλογή πειραμάτων, ξεκινούμε διερευνώντας τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα μεταβάλλει τις ιδιότητες των τριών καταστάσεων της ύλης.

Εξετάζουμε στη συνέχεια πώς η θερμότητα μπορεί να μετατρέπει τα αέρια, υγρά και στερεά από το ένα στο άλλο. Μετά από κάθε πείραμα, όπως οι πραγματικοί επιστήμονες, διερωτόμαστε για τα αποτελέσματά μας και σκεφτόμαστε πως θα μπορούσαμε να βελτιώσουμε τον πειραματικό σχεδιασμό μας.

Καθένα από τα πέντε πειράματα βασίζονται σε απλά υλικά και είναι κατάλληλα για μαθητές ηλικίας 7-11 χρονών (παρ’ όλα αυτά σημειώστε ότι ο κριτής πρότεινε ότι το άρθρο είναι κατάλληλο για μαθητές ηλικίας 10-13). Αν τα εκτελέσετε όλα μαζί, η τάξη σας μπορεί να απασχοληθεί για μια ολόκληρη μέρα, μπορείτε όμως και να τα διαχωρίσετε για να τα χρησιμοποιήσετε σε ξεχωριστά μαθήματα. Προτού ξεκινήσετε, ζητήστε από τους μαθητές σας να σκεφτούν τι είναι τα στερεά, υγρά και αέρια, όσον αφορά την εμφάνιση και τις ιδιότητές τους^w1.

Αλλαγή ιδιοτήτων

1) Φτιάξτε το δικό σας θερμόμετρο: τα αέρια διαστέλλονται όταν θερμαίνονται

Το πείραμα αυτό εισάγει την ιδέα ότι η θερμότητα προκαλεί διαστολή των αερίων. Οι μαθητές θα φτιάξουν το δικό τους θερμόμετρο με βάση την αρχή αυτή.

Υλικά

Ανά ομάδα μαθητών:

• Ένα άκαμπτο πλαστικό μπουκάλι με καπάκι
• Πλαστελίνη ή πηλός μοντελισμού^®
• Ένα διαφανές πλαστικό καλαμάκι
• Ένα ψαλίδι
• Χρώμα ζαχαροπλαστικής (προαιρετικό)
• Νερό βρύσης

Διαδικασία

1. Χρησιμοποιήστε το ψαλίδι για να κάνετε μια τρύπα στο πάνω μέρος του καπακιού του μπουκαλιού, τέτοια ώστε να χωράει το καλαμάκι από μέσα.
    
2. Γεμίστε το μπουκάλι με κρύο νερό μέχρι τη μέση.
    
3. Προσθέστε μερικές σταγόνες χρώματος ζαχαροπλαστικής και αναμίξτε.
    
4. Βιδώστε το καπάκι και περάστε το καλαμάκι μέσα από αυτό προσέχωντας ώστε το καλαμάκι να μην ακουμπήσει τη βάση του μπουκαλιού.
    
5. Σφραγίστε την τρύπα στο καπάκι με την πλαστελίνη, και σταθεροποιήστε το καλαμάκι. Η τρύπα πρέπει να σφραγιστεί εντελώς αεροστεγώς.
    
6. Τοποθετήστε το χέρι σας στο πάνω μέρος του μπουκαλιού. Τι συμβαίνει στο υγρό μέσα στο καλαμάκι, και γιατί;

Τι συμβαίνει;

Η θερμότητα από το χέρι θερμαίνει τον αέρα μέσα στο μπουκάλι. Ο αέρας διαστέλλεται και σπρώχνει το νερό, αναγκάζοντάς το να ανέβει μέσα στο καλαμάκι.

Ερωτήσεις για τους μαθητές σας

1. Ήταν η θερμότητα από τα χέρια σας που ανάγκασε το υγρό στο καλαμάκι να ανέβει ή θα μπορούσε η πίεση από τα χέρια σας να είναι υπεύθυνη;
    
2. Πως μπορούμε να το ελέγχξουμε αυτό πειραματικά;

   Απαντήσεις: το μπουκάλι ήταν άκαμπτο και δεδομένου ότι δεν το πιέσατε, το υγρό ανέβηκε στο καλαμάκι λόγω της θερμότητας, όχι της πίεσης. Μπορείτε να το ελέγχξετε αυτό τοποθετώντας τα χέρια σας κοντά στο μπουκάλι αλλά όχι πάνω του και βλέποντας αν και πάλι το υγρό ανεβαίνει μέσα στο καλαμάκι.

2) Δείτε μια βελόνα πλεξίματος να μεγαλώνει: τα στερεά επίσης διαστέλλονται όταν θερμανθούν

Στο προηγούμενο πείραμα, η θερμότητα των χεριών ήταν αρκετή ώστε να αναγκάσει το αέριο μέσα στο μπουκάλι να διασταλλεί αρκετά. Τα στερεά, ωστόσο, διαστέλλονται πολύ λιγότερο από τα αέρια για μια δεδομένη αύξηση στη θερμοκρασία. Στο πείραμα που ακολουθεί, θα χρησιμοποιήσουμε μια απλή αλλά ευαίσθητη συσκευή για να παρατηρήσουμε τη διαστολή μιας βελόνας πλεξίματος όταν θερμαίνεται από ένα κερί.

Υλικά

• Μια μεταλλική βελόνα πλεξίματος
• Δύο άδεια γυάλινα μπουκάλια (τα μπουκάλια κρασιού είναι κατάλληλα)
• Ένας φελλός που ταιριάζει σε ένα από τα μπουκάλια
• Κλειδιά ή άλλο αντικείμενο (π.χ. πηλός μοντελισμού) για να χρησιμοποιηθεί ως βαρίδιο από την μία άκρη της βελόνας πλεξίματος
• Μια στοίβα από βιβλία (ή άλλα αντικείμενα για να στηρίξουν τον εξοπλισμό)
• Μια καρφίτσα ραψίματος με κυλινδρικό στέλεχος
• Ένα καλαμάκι
• Ένα μικρό κερί (ρεσώ)
• Σπίρτα

Διαδικασία

1. Πιέστε το φελό μέχρι τη μέση στο μπουκάλι.
    
2. Πιέστε με τη μυτερή άκρη της βελόνας πλεξίματος το φελό, έτσι ώστε να βρεθεί η βελόνα μόλις πάνω από το χείλος του μπουκαλιού.
    
3. Ακουμπήστε το άλλο άκρο της βελόνας πλεξίματος πάνω στο στόμιο του δεύτερου μπουκαλιού.
    
4. Τρυπήστε το καλαμάκι με την καρφίτσα, στο 1/3 του μήκους του. Η τρύπα πρέπει να είναι αρκετά μικρή ώστε το καλαμάκι να μη γυρίζει χαλαρά γύρω από την καρφίτσα.
    
5. Τοποθετήστε την καρφίτσα (με το καλαμάκι στερεωμένο) στο στόμιο του δεύτερου μπουκαλιού, κάτω από τη βελόνα πλεξίματος και σε ορθή γωνία με αυτήν.
    
6. Κρεμάστε κάποιο βάρος (π.χ. κλειδιά) στο ελεύθερο άκρο της βελόνας πλεξίματος.
    
7. Γυρίστε το καλαμάκι προς τα κάτω.
    
8. Τοποθετείστε μια στοίβα από βιβλία μεταξύ των δύο μπουκαλιών.
    
9. Τοποθετήστε το κερί πάνω στη στοίβα των  βιβλίων. Καθορίστε το ύψος της στοίβας έτσι ώστε η κορυφή του κεριού να απέχει περίπου 3 εκατοστά από τη βελόνα πλεξίματος.
    
10. Ανάψτε το κερί. Τι παθαίνει το καλαμάκι; Τι το προκαλεί αυτό;

Τι συμβαίνει;

Η θερμότητα από το κερί προκαλεί τη διαστολή της βελόνας πλεξίματος. Καθώς αυξάνεται το μήκος της, κινείται πάνω στην καρφίτσα και την αναγκάζει να κυλίσει. Το καλαμάκι μεγεθύνει τις μικρές κινήσεις της καρφίτσας.

Ερωτήσεις για τους μαθητές σας

1. Έχουμε δει ότι τα στερεά και τα αέρια διαστέλλονται όταν θερμανθούν, τί γίνεται άραγε με τα υγρά;

   Απάντηση: τα υγρά δεν αποτελούν εξαίρεση – και αυτά διαστέλλονται όταν θερμανθούν.
    

2. Τι προβλήματα μπορεί να προκαλέσει σε γέφυρες ή σιδηροτροχιές η θερμική διαστολή;

   Απάντηση: δείτε τις εικόνες στα δεξιά.

Αλλαγή καταστάσεων

Μέχρι στιγμής, οι μαθητές έχουν δει τι συμβαίνει όταν θερμάνουμε τα στερεά και αέρια: αυτά διαστέλλονται. Επίσης, έχετε επισημάνει ότι και τα υγρά συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. Τι συμβαίνει όμως όταν θερμαίνουμε τις ουσίες περισσότερο (εικόνα 1); Ζητήστε από τους μαθητές σας να φέρουν στο μυαλό τους μια ράβδο χρυσού, αυτή είναι στερεό σε θερμοκρασία δωματίου, στους 100 °C, ακόμα και στους 500 °C. Τι συμβαίνει όμως όταν αυξήσουμε τη θερμοκρασία ακόμα περισσότερο, στους 1064 °C; Σε αυτήν τη θερμοκρασία, συμβαίνει κάτι απίθανο: ο στερεός χρυσός μετατρέπεται σε υγρό! Αν θερμάνετε ακόμα περισσότερο το υγρό (στους 2856 °C) αυτό βράζει και μετατρέπεται σε αέριο.

Φυσικά, αυτό αποτελεί ένα σχετικά ακραίο παράδειγμα, οι περισσότεροι από εμάς δεν πρόκειται να συναντήσουμε χρυσό στην αέρια μορφή του. Ωστόσο, όλοι στην τάξη θα είναι εξοικειωμένοι με το πέρασμα του νερού από τις τρεις καταστάσεις της ύλης: μετατροπή από στερεό πάγο σε υγρό νερό (0 °C), μετά στην αέρια μορφή του, τους υδρατμούς (100 °C). Έτσι, πέρα από τη διαστολή, η θερμότητα μπορεί να προκαλέσει και αλλαγή στην κατάσταση των υλικών. Διαφορετικές ουσίες απαιτούν διαφορετικά ποσά θερμότητας για να το κάνουν αυτό: περισσότερη θερμότητα απαιτείται για να βράσει ο χρυσός παρά για να βράσει το νερό. Θεωρητικά τουλάχιστον, όμως, όλες οι ουσίες μπορούν να υφίστανται στις τρεις καταστάσεις της ύλης.

Στα επόμενα πειράματα, θα δούμε τι συμβαίνει όταν μετατρέπουμε το νερό από υγρό σε αέριο – και αντίστροφα.

3) Από υγρό σε αέριο: εξάτμιση από το δάκτυλό σου

Ακόμα και πριν το βρασμό ενός υγρού, ένα μέρος του μπορεί να αρχίσει να μετατρέπεται σε αέριο – ζητήστε από τους μαθητές σας να φέρουν στο μυαλό τους τον ατμό που βγαίνει από ένα δοχείο με νερό αρκετό χρόνο πριν αυτό βράσει. Σε αυτό το πείραμα, οι μαθητές θα διαπιστώσουν ότι ακόμα και τα ακροδάκτυλά μας παράγουν αρκετή θερμότητα για τη μετατροπή μικρών ποσοτήτων νερού από υγρό σε αέριο. Η διαδικασία αυτή καλείται εξάτμιση.

Υλικά

• Ένα φλυτζάνι νερό

Διαδικασία

Το πείραμα αυτό ιδανικά εκτελείται έξω από την τάξη ή σε μέρος όπου υπάρχει ρεύμα αέρα, όπως κοντά σε ανοικτό παράθυρο.

1. Βυθίστε τον δείκτη του χεριού σας στο νερό, μετά κρατήστε τον ψηλά. 
    
2. Τί βλέπετε και τί αισθάνεστε;

Τί συμβαίνει;

Το νερό εξατμίζεται από το δάκτυλό σας, αφήνοντάς το στεγνό. Επίσης, αισθάνεστε το δάκτυλό σας κρύο. Αυτό συμβαίνει γιατί η θερμότητα από το σώμα σας μεταφέρεται στο υγρό νερό και απομακρύνεται με τους υδρατμούς.

Ερωτήσεις για τους μαθητές σας

1. Σε αυτό το πείραμα θερμάναμε νερό σε υγρή μορφή, όμως τι συμβαίνει όταν θερμαίνουμε ένα στερεό; Σκεφτείτε τί συμβαίνει αν θερμάνετε βούτυρο.

   Απάντηση: τα στερεά λιώνουν όταν θερμανθούν.
    

2. Πώς θα μπορούσαμε να βελτιώσουμε το πείραμά μας;

   Απάντηση: τι θα γινόταν αν αισθανόσασταν το δάκτυλό σας κρύο όχι λόγω της εξάτμισης, αλλά επειδή το νερό ήταν κρύο; Για τον έλεγχο αυτής της υπόθεσης, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε νερό σε θερμοκρασία σώματος (37 °C). Δοκιμάστε το – θα πρέπει να πάρετε το ίδιο αποτέλεσμα.
    

3. Κάνοντας χρήση αυτών που μάθατε, μπορείτε να εξηγήσετε γιατί οι ελέφαντες μερικές φορές εκτοξεύουν νερό στις ράχες τους;

   Απάντηση: οι ελέφαντες το κάνουν αυτό για να δροσιστούν, εκμεταλλευόμενοι την ψυκτική δύναμη της εξάτμισης.

4) Από αέριο σε υγρό: συμπύκνωση σε μια σακούλα

Οι μαθητές έχουν δει ότι η θέρμανση ενός υγρού μπορεί να το μετατρέψει σε αέριο (εξάτμιση), αλλά αυτό είναι μια διαδικασία αναστρέψιμη: η ψύξη ενός αερίου το μετατρέπει σε υγρό, με μια διαδικασία που καλείται συμπύκνωση. Στο επόμενο πείραμα, οι μαθητές θα διερευνήσουν τη συμπύκνωση.

Υλικά

• Μια διαφανής πλαστική σακούλα
• Ένα λαστιχάκι
• Ένα μικρό πανί
• Νερό

Διαδικασία

1. Βρέξτε το πανί κάτω απο μια βρύση και στύψτε το για να απομακρυνθεί το παραπανίσιο νερό.
    
2. Τοποθετήστε το πανί μέσα στην πλαστική σακούλα. Παγιδεύστε λίγο αέρα μέσα στη σακούλα και σφραγίστε την.
    
3. Αφήστε τη σακούλα σε ζεστό μέρος, πάνω στο καλοριφέρ ή απευθείας στο ηλιακό φως, για μία ώρα. Τι βλέπετε;

Τι συμβαίνει;

Σταγονίδια νερού σχηματίζονται στην εσωτερική επιφάνεια της σακούλας.

Με ποιο τρόπο? Το νερό εξατμίζεται από το βρεγμένο πανί έτσι ώστε ο αέρας μέσα στη σακούλα να περιέχει μεγάλη ποσότητα υδρατμών. Η εσωτερική επιφάνεια της σακούλας είναι αρκετά ψυχρή ώστε να μετατρέψει τους υδρατμούς ξανά σε νερό σε υγρή μορφή.

Ερωτήσεις για τους μαθητές σας

1. Σε αυτό το πείραμα ψύξαμε ένα αέριο (υδρατμοί), ωστόσο τι συμβαίνει όταν ψύχουμε ένα υγρό; Σκεφτείτε με ποιο τρόπο φτιάχνουμε παγάκια.

   Απάντηση: όταν ψυχθούν, τα υγρά παγώνουν και μετατρέπονται σε στερεά.
    

2. Πώς θα μπορούσαμε να αλλάξουμε το πείραμά μας ώστε τα σταγονίδια του νερού να σχηματιστούν πιο γρήγορα;

   Απάντηση: κάνοντας την επιφάνεια της σακούλας πιο κρύα, για παράδειγμα τοποθετώντας παγάκια δίπλα της, η συμπύκνωση πραγματοποιείται γρηγορότερα.
    

3. Τί προκαλεί την ομίχλη: η εξάτμιση ή η συμπύκνωση;

   Απάντηση: η ομίχλη σχηματίζεται όταν οι υδρατμοί ψύχονται και συμπυκνώνονται σε ένα νέφος από μικρά σταγονίδια νερού κοντά στο έδαφος (όπως ένα σύννεφο όμως χαμηλότερα).

Ευχαριστίες

Οι οδηγίες για την κατασκευή του θερμομέτρου υιοθετήθηκαν από την ιστοσελίδα Ενεργειακή Αναζήτηση της Επιτροπής για την Ενέργεια της Καλιφόρνια (California Energy Commission’s Energy Quest). Δείτε την ιστοσελίδα τους για αυτήν και άλλες εργασίες.

Download

Download this article as a PDF