6.5. Gázok állapotváltozásai
A kísérlet célja
Gázok speciális állapotváltozásait leíró törvények bemutatása, igazolása.
a) A Boyle-Mariotte-törvény szemléltetése hengerbe bezárt gázzal 
Szükséges anyagok, eszközök
- A Boyle-Mariotte-törvény bemutatására szolgáló eszköz
Leírás
Az eszköz egy átlátszó falú hengerből, egy ehhez csatlakoztatott nyomásmérőből és a hengert légmentesen záró dugattyúból áll. A dugattyút a képen jobb oldali kar csavarásával lehet benyomni, illetve kihúzni. Figyeljük meg, hogy a dugattyú benyomásával növekszik a bezárt levegő nyomása, a dugattyú kihúzásával pedig csökken.
Feladat:
- Állítsuk be a dugattyút úgy, hogy a nyomás pontosan 1 bar legyen. Mérjük meg a dugattyú által lezárt léghenger paramétereit (átmérő, hossz). Határozzuk meg a levegő térfogatát!
- Növeljük a belső nyomást a dugattyú benyomásával 0,5 bar lépésekben 3 bar nyomásig. Minden lépésben mérjük meg az összenyomott levegőoszlop hosszát és határozzuk meg a térfogatát.
- Csökkentsük a belső nyomást a dugattyú kihúzásával. 1 bar-ról indulva, 0,1 bar lépésekben 0,5 bar nyomásig. Minden lépésben mérjük meg az összenyomott levegőoszlop hosszát és határozzuk meg a térfogatát!
- Az összetartozó nyomás- és térfogatértékeket foglaljuk táblázatba, ábrázoljuk grafikonon és számítsuk ki a szorzatukat (pi·Vi).
- Elemezzük az adatokat és értékeljük az eredményeket. Vessük össze őket a Boyle–Mariotte-törvénnyel.
Módszertani kiegészítések
- Fontos, hogy a dugattyút a csavarral, lassan mozgassuk, hogy legyen idő a hőmérséklet kiegyenlítődésére. Így a hőmérséklet valóban állandónak tekinthető a folyamat során.
- A Boyle-Mariotte- törvény szemléltetésére és kvantitatív bemutatására régebben a Melde-cső nevű eszköz volt használatos. Ezt ma már azonban több okból sem használjuk. Egyrészt, mert higanyra lenne szükség hozzá, másrészt a számításokhoz olyan fizikai és matematikai ismeretekre volna szüksége a diákoknak, melyekre csak későbbi évfolyamokon tesznek szert.
b) Gay-Lussac I. törvényének igazolása
Szükséges anyagok, eszközök
- 500 cm3-es gömblombik, benne átfúrt dugó vékony csővel (ismert össztérfogattal)
- 3 db Bunsen-állvány
- 3 db dió
- lombikfogó
- nagyméretű fémedény vízfürdőnek
- hőmérő
- méterrúdra rögzített színtelen, átlátszó gumicső (ismert hosszal és belső átmérővel)
- festett folyadék (pl. metilénkékkel színezett víz)
- cseppentő
- műanyag csőrös pohár
Leírás
A fémedénybe töltsük a meleg vizet a csappból, rögzítsük az üres lombikot a Bunsen-állványhoz és merítsük a vízfürdőbe! Zárjuk le az átfúrt dugóval. Helyezzük a méterrudat a Bunsen-állványra rögzített diókra. A gumicső nyitott vége bal oldalon legyen. Másik végét csatlakoztassuk a dugóból kiálló vékony üvegcsőhöz. Várjunk pár percet, míg a lombikban lévő levegő átveszi a vízfürdő hőmérsékletét. Cseppentsünk egy csepp színezett vizet a gumicső nyitott végébe, hogy a kis festékcsepp teljesen lezárja a cső nyílását. Ez a „könnyen mozgó dugattyú”, mely a kísérlet során biztosítja az állandó nyomást. Mérjük meg a vízfürdő hőmérsékletét.
Feladat:
- Hűtsük a vízfürdőt. Engedjünk ki a fémedényből 1-2 dl meleg vizet és pótoljuk hideggel. Keverjük össze a vizet és mérjük meg a hőmérsékletét! Figyeljük meg, ahogy a színezett csepp elmozdul a csőben. Mérjük meg a cső végétől számított távolságot.
- Mérjünk legalább 5 összetartozó hőmérséklet-elmozdulás adatpárt, ügyelve arra, hogy egy-egy lépésben 4-5°C-kal hűljön a víz (s így a bezárt levegő) hőmérséklete.
- Figyelembe véve a lombik pontos térfogatát és a gumicső térfogatát, határozzuk meg a bezárt levegő térfogatát az egyes hőmérsékleteken.
- Az összetartozó hőmérséklet- és térfogatértékeket foglaljuk táblázatba, ábrázoljuk grafikonon és számítsuk ki a hányadosukat (Vi/Ti).
- Elemezzük az adatokat és értékeljük az eredményeket. Vessük össze az elméleti várakozásokkal.
- Végezzünk becslést az abszolút nulla hőmérsékletre.
c) Gay-Lussac II. törvényének igazolása
Szükséges anyagok, eszközök
- 500 cm3-es gömblombik, benne átfúrt dugó vékony csővel
- Bunsen-állvány, dió
- lombikfogó
- nagyméretű fémedény vízfürdőnek
- hőmérő
- nyomásmérő szenzor, adatgyűjtő
- műanyag csőrös pohár
- vízforraló
Leírás
A fémedénybe töltsünk forró vizet a vízforralóból. Rögzítsük az üres lombikot a Bunsen-állványhoz és merítsük a vízfürdőbe. Zárjuk le az átfúrt dugóval. Csatlakoztassuk a nyomásmérő szenzort a lombikhoz a dugóból kiálló vékony üvegcsövön keresztül. Kapcsoljuk be az adatgyűjtőt.
A nyomásmérő szenzort és az adatgyűjtőt ne érje víz, kényes és drága műszerek.
Feladat:
- Mérjük meg a vízfürdő hőmérsékletét és a bezárt levegő nyomását.
- Hűtsük a vízfürdőt. Engedjünk ki a fémedényből 1-2 dl forró vizet és pótoljuk hideggel. Keverjük össze a vizet és mérjük meg a hőmérsékletét!
- Mérjünk legalább 5 összetartozó hőmérséklet-elmozdulás adatpárt, ügyelve arra, hogy közel egyenlő lépésekben hűljön a víz (s így a bezárt levegő) hőmérséklete.
- Az összetartozó hőmérséklet- és nyomásértékeket foglaljuk táblázatba, ábrázoljuk grafikonon és számítsuk ki hányadosukat (pi/Ti).
- Elemezzük az adatokat és értékeljük az eredményeket. Vessük össze az elméleti várakozásokkal.
d) Hérón-labda/szökőkút kísérlet
Szükséges anyagok, eszközök
- kisméretű gömblombik
- átfúrt dugó, benne hosszú, elvékonyított végű üvegcső
- itatóspapír
- tálca
- egyenes peremű, nagy átmérőjű üveghenger
- Bunsen-égő vagy borszeszégő
Leírás
Töltsük meg a kis gömblombikot kb. harmadáig festett vízzel, és zárjuk le az átfúrt dugóval. A dugón átszúrt üvegbotot úgy állítsuk be, hogy belelógjon a folyadékba és a vége a lombik aljától pár mm-re legyen. Az így elkészített eszköz a Hérón-labda.
Helyezzünk itatóspapírokat a tálcára és vízzel alaposan áztassuk át őket. Állítsuk az itatóspapírokra a Hérón-labdát. Az üveghengert szájával lefelé fordítva tartsuk kis ideig Bunsen-égő lángja fölé (csak a benne levő levegő melegedjen, a henger fala ne)! A melegítés befejezése után egyből borítsuk le vele a Hérón-labdát, ügyelve arra, hogy a henger szája légmentesen zárjon az itatóspapíron.
Figyeljük meg, hogy a színezett folyadék szökőkútszerűen kispriccel a Hérón-labdából.
Kísérlethez kapcsolódó kérdések
- Miért fontos, hogy az üveghenger hideg maradjon (tehát, hogy azt se a kezünkkel fogdosva, se a gázlánggal ne melegítsük fel)?
Módszertani kiegészítések
- A kísérleti eszköz PET-palackokból egyszerűen házilag is elkészíthető.
- Mind a Hérón-labda, mind a Hérón-szökőkút elnevezés csalóka. Hérón-labdának hívják még Hérón híres gőzforgóját is, valamint általában Hérón-szökőkútnak egy három víztartályos passzív elemekből álló szökőkutat neveznek.
- Magyarázatkor gyakran hallani, hogy a nagy üveghengerben lecsökken a nyomás és az „szívja” ki a vizet a Hérón-labdából. Ügyeljünk a szóhasználatra! A nyomás nem tud szívni. A Hérón-labdában lévő nagyobb nyomás nyomja ki a vizet, vagy a nyomáskülönbség hatására a víz kispriccel.
Tweet