[فعالیت ۴-۱۵] [فیزیک] [دهم]
سرنگی را که پیستون آن آزادانه حرکت میکند به فشارسنجی میبندیم و آن را به طور افقی درون ظرف آبی میگذاریم و ظرف را به آرامی گرم میکنیم. توضیح دهید کدامیک از کمیتهای دما، حجم، فشار و مقدار هوای درون سرنگ تغییر میکند و تغییر آنها چگونه است؟
پاسخ تشریحی و گام به گام [فعالیت ۴-۱۵] [فیزیک] [دهم]
برای تحلیل این پدیده، از **قانون گازهای ایدهآل** کمک میگیریم. این قانون رابطه بین فشار ($P$)، حجم ($V$)، مقدار گاز ($n$) و دما ($T$) را توصیف میکند: $PV=nRT$.
بیایید هر یک از کمیتها را بررسی کنیم:
1. **مقدار هوای درون سرنگ ($n$):**
* **تغییر:** **ثابت میماند.**
* **دلیل:** سرنگ به فشارسنج متصل و سیستم **بسته** است. هیچ هوایی نمیتواند وارد یا خارج شود، پس تعداد مولکولهای هوا ($n$) ثابت است.
2. **دما ($T$):**
* **تغییر:** **افزایش مییابد.**
* **دلیل:** صورت سؤال به وضوح میگوید که "ظرف را به آرامی گرم میکنیم". این گرما از آب به هوای داخل سرنگ منتقل شده و دمای آن را بالا میبرد.
3. **فشار ($P$):**
* **تغییر:** **ثابت میماند.**
* **دلیل:** نکته کلیدی در عبارت "پیستون آن **آزادانه** حرکت میکند" نهفته است. این یعنی پیستون میتواند بدون اصطکاک حرکت کند تا فشار داخل سرنگ را با فشار بیرون برابر نگه دارد. از آنجایی که فشار بیرون (فشار جو + فشار جزئی آب) ثابت است، فشار داخل سرنگ نیز برای حفظ تعادل، **ثابت** باقی میماند. این یک فرآیند **همفشار (Isobaric)** است.
4. **حجم ($V$):**
* **تغییر:** **افزایش مییابد.**
* **دلیل:** اینجا جایی است که قوانین فیزیک خود را نشان میدهند. با افزایش دمای هوا، انرژی جنبشی مولکولهای هوا زیاد شده و ضربات آنها به دیوارههای سرنگ و پیستون شدیدتر و پرتعدادتر میشود. برای اینکه فشار ثابت بماند، گاز باید منبسط شود. این انبساط، پیستون را به بیرون هل میدهد و **حجم** گاز افزایش مییابد.
* این پدیده با **قانون شارل** توصیف میشود که حالت خاصی از قانون گازهای ایدهآل است:
$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$ (در فشار و مقدار گاز ثابت)
* این رابطه نشان میدهد که حجم و دما با هم رابطه مستقیم دارند؛ با افزایش دما، حجم نیز باید افزایش یابد.
**خلاصه تغییرات:**
* **دما:** افزایش
* **حجم:** افزایش
* **فشار:** ثابت
* **مقدار هوا:** ثابت
