056 – Relația dintre temperatura unui gaz și volumul său

Acest protocol experimental este conceput pentru a măsura coeficientul volumetric de dilatare termică al unui lichid prin observarea modificărilor înălțimii unei picături de ulei într-un tub capilar pe măsură ce temperatura variază. Experimentul începe cu pregătirea aparatului, inclusiv fixarea clemelor universale, preîncălzirea tubului capilar și pregătirea recipientelor cu apă rece și gheață.

Se iau măsurători ale înălțimii picăturii de ulei la diverse temperaturi, folosind un termometru și un cronometru, în timp ce temperatura apei este reglată cu grijă pe placa de încălzire.

Obiective educaționale

• Înțelegerea dilatării volumice: Participanții vor explora cum volumul unui lichid se modifică în funcție de temperatură, cu scopul de a determina coeficientul de dilatare termică volumetrică al lichidului.
• Tehnici de măsurare a temperaturii: Experimentul introduce metode de măsurare precisă a temperaturii și a nivelului unui lichid într-un tub capilar, sporind familiaritatea participanților cu măsurătorile legate de temperatură.
• Manipulare de instrumente de laborator: Studenții vor exersa utilizarea diverselor instrumente de laborator, îmbunătățindu-și abilitățile practice în realizarea experimentelor.
• Fundamentele termodinamicii lichidelor: Prin această procedură, participanții vor dobândi o înțelegere a principiilor de bază ale termodinamicii, așa cum se aplică lichidelor, inclusiv relația dintre temperatură și volum.

Această experiență de laborator este crucială pentru înțelegerea modului în care temperatura afectează volumul unui lichid și pentru stăpânirea tehnicilor precise de măsurare într-un cadru de laborator.

Participanții vor dezvolta abilități practice în manipularea echipamentelor de laborator, observarea fenomenelor fizice și analiza datelor experimentale. Mai mult, acest experiment subliniază importanța rigurozității metodologice și a preciziei în experimentarea științifică, asigurând rezultate fiabile și semnificative. Prin participarea la această activitate, participanții nu numai că învață despre termodinamica lichidelor, ci apreciază și natura meticuloasă necesară în cercetarea științifică, sporindu-și competența generală în fizică și chimie experimentală.

Protocol

PARTEA A: Pregătirea tubului capilar

1. Deasupra plăcii de încălzire; atașați o clemă universală la fiecare dintre cele două suporturi.
2. Folosind picurătorul; luați puțin ulei de măsline și puneți două picături de ulei pe ceasul de sticlă.
3. Aprinde arzătorul Bunsen.
4. Folosind mănuși termice; încălziți tubul capilar pe toată lungimea sa, expunându-l flăcării în timp ce efectuați mișcări înainte și înapoi timp de aproximativ 20 de secunde.
5. Plasați capătul deschis (capătul transparent) al tubului fierbinte peste picăturile de ulei pregătite la pasul 1. Uleiul ar trebui să urce de la sine în tubul capilar.
6. Pune tubul într-o poziție verticală (cu capătul deschis în sus) și așteaptă câteva secunde pentru ca acesta să se răcească.
7. Atașează tubul capilar la clema universală a suportului din dreapta; poziționând capătul deschis (transparent) în sus.
8. Oprește arzătorul Bunsen.

• Picătura de ulei din tubul capilar trebuie să aibă o grosime între 5 mm și 1 cm.

PARTEA B: Măsurarea relației volum-temperatură

9. Pune paharul Berzelius de 250 mL pe plita fierbinte (nu porni plita).
10. Pune agitatorul magnetic în paharul Berzelius.
11. Atașați termometrul la clema universală a stativului din stânga și așezați-l vertical în paharul Berzelius de 250 mL. Nici tubul capilar, nici termometrul nu trebuie să atingă pereții paharului.
12. Securizați rigla în spatele tubului capilar pentru a măsura înălțimea picăturii de ulei.
13. Luați paharul de laborator care conține gheață și adăugați-i 250 ml de apă rece de la robinet.
14. Apoi turnați apa rece și gheața în vasul de laborator care conține tubul capilar. Nivelul apei trebuie să depășească nivelul picăturii de ulei.
15. Observați temperatura apei și înălțimea fundului picăturii de ulei odată ce temperatura s-a stabilizat.
16. Porniți agitatorul pe plita fierbinte.
17. Porniți cronometrul.
18. Pornește plita la intensitate scăzută (20°C) și așteaptă ca temperatura să crească cu aproximativ zece grade.
19. În tabelul de rezultate; observați temperatura apei și înălțimea fundului picăturii de ulei odată ce temperatura s-a stabilizat. Veți observa schimbarea înălțimii picăturii în funcție de modificările temperaturii apei.
20. Repetați pașii 18 și 19, mărind temperatura plăcii cu încă 10 grade.
21. Oprește plita și așteaptă să se răcească totul.

• Notă: Interiorul tubului capilar are o rază de 0,5 mm.

Rezultate anticipate

Participanții explorează legea gazelor ideale, care afirmă că volumul unui gaz este direct proporțional cu temperatura sa, atunci când presiunea și cantitatea de gaz sunt constante. Acest experiment oferă o înțelegere vizuală și cantitativă a modului în care volumul gazului se modifică în raport cu variațiile de temperatură.

• Relația temperatură-volum: Pe măsură ce temperatura gazului (în acest caz, aerul din interiorul tubului capilar) crește, se așteaptă ca volumul, indicat de înălțimea picăturii de ulei, să crească. Invers, când temperatura scade, volumul ar trebui să scadă. Interiorul tubului capilar are o rază de 0,5 mm.
• Relația urmează legea gazelor ideale, unde FpV=nRT, unde p= presiune (Pa), V=Volum (/1000L), n = moli, R = 8,314 J/mol*K, și T este temperatura în kelvini.

• Rezultatele ar trebui să fie aproximativ:

  Temperatură (°C)	Temperatura absolută (K)	Înălțime (mm)	Volum de aer ml)
  4,0	277,2	47,3	0.037
  11,5	284,7	48,6	0.038
  20,5	293,7	50,0	0.039
  29,0	302,2	51,5	0.04
  41,5	314,7	53,7	0.042
  50,0	323,2	55,1	0.043
  62,0	335,2	57,2	0.045
  72,5	345,7	59,0	0.046
  80,5	353,7	60,3	0.047
  91,0	364,2	62,1	0.049

• Volumul (V, în mL) al unui gaz (cu număr de moli și presiune constante) va urma relația V = π*r²*h, unde r=raza cilindrului (0.05cm) și înălțimea observată (în cm). Graficul va fi o creștere liniară constantă a Volumului în funcție de Temperatură.

• Colectare și analiză de datePrin înregistrarea sistematică a temperaturii și a înălțimii corespunzătoare a picăturii de ulei la diverse temperaturi, participanții vor crea un set de date care, atunci când este reprezentat grafic, ar trebui să arate o relație liniară între temperatură (în Kelvin) și volum, afirmând legea gazelor ideale.
• Abilități de observareParticipanții își vor rafina abilitățile de observare, remarcând cum modificări de temperatură minuscule pot duce la modificări măsurabile ale volumului gazului.

Semnificație și Lecții Învățate:

• Înțelegerea comportamentului gazelorExperimentul aprofundează înțelegerea legilor fundamentale ale gazelor, în special a legii gazelor ideale, demonstrând cum gazele se extind la încălzire și se contractă la răcire într-un mediu controlat.
• Relevanță în lumea realăPrincipiile demonstrate sunt aplicabile în diverse scenarii din lumea reală, cum ar fi înțelegerea comportamentului aerului în baloane meteorologice, motoare de automobile și chiar în meteorologie pentru predicția vremii.
• Metodologie științificăParticipanții învață importanța măsurătorilor precise și necesitatea de a controla variabilele pentru a izola efectele temperaturii asupra volumului gazului. Acest lucru consolidează rolul metodei științifice în proiectarea experimentală și analiza datelor.
• Gândire critică: Analizând rezultatele, participanții vor angaja gândirea critică, mai ales dacă rezultatele deviază de la relația liniară așteptată, determinând investigarea posibilelor surse de erori sau a comportamentului gazelor non-ideal.
• Abilități practice: Manipularea echipamentelor de laborator precum becurile Bunsen, tuburile capilare și mănușile de protecție termică dezvoltă abilități practice și întărește importanța protocoalelor de siguranță în laborator.

Acest experiment oferă o experiență de învățare cuprinzătoare, îmbinând cunoștințele teoretice cu abilitățile practice, sporind înțelegerea participanților asupra legilor gazelor și competența lor în realizarea investigațiilor științifice.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele 3-5 (Vârsta 8-10 ani)

• FocusIntroducere de bază în conceptele de temperatură și volum.
• Activități: Observarea unor demonstrații simple despre cum temperatura afectează volumul lichidelor, instrucțiuni de bază de siguranță.

Clasele 6-8 (Vârste 11-13)

• FocusÎnțelegere intermediară a expansiunii volumetrice și a măsurării temperaturii.
• Activități: Măsurarea temperaturii și a nivelului lichidului într-un tub capilar, înregistrarea modificărilor de volum în funcție de temperatură, respectarea unor protocoale detaliate de siguranță.

Clasele 9-12 (Vârste 14-18)

• Focus: Înțelegere avansată a expansiunii volumetrice, a tehnicilor precise de măsurare și a principiilor termodinamice.
• Activități: Configurarea și utilizarea aparatului pentru măsurarea coeficientului volumetric de dilatare termică, măsurarea precisă a temperaturii și a nivelului lichidului, analiza relației dintre temperatură și volum, înregistrarea detaliată și interpretarea rezultatelor, respectarea protocoalelor avansate de siguranță, consolidarea conceptelor de termodinamică a lichidelor.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahár (250ml)
• Arzător Bunsen
• Tub capilar
• Picurător
• Plită
• Stand și cleme de laborator
• Agitator magnetic
• Rigla
• Termometre
• Cronometru
• Ceas de sticlă

Produse

• Ulei de măsline