Читать «Веселые научные опыты и эксперименты» онлайн - страница 27

Нагреть или охладить

Оборудование и принадлежности:

• автомобильная или велосипедная шина;

• насос;

• термометр.

Если вам доводилось накачивать насосом автомобильную или велосипедную шину, то вы не могли не заметить, что при этом соединительный шланг насоса заметно нагревался (рис. 46). Это и понятно, ведь, сжимая газ внешней силой, вы производите работу, в результате которой внутренняя энергия газа увеличивается, а следовательно, повышается его температура, то есть происходит нагрев.

Рис. 46

Теперь предоставим возможность сжатому газу расшириться и произвести работу против сил внешнего давления. Для этого дадим некоторое время остыть накаченной шине, а затем приоткроем запорный ниппель и в струю выходящего расширяющегося газа поместим термометр (рис. 47). Вы непременно заметите, что столбик термометра несколько понизится, что укажет на понижение температуры в исходящем потоке расширяющегося воздуха. Это говорит о том, что при расширении газ совершает работу – он охлаждается и его внутренняя энергия убывает (этот процесс называют дросселированием). Нагревание газа при сжатии и охлаждение при расширении являются выражением закона сохранения энергии. Именно на основе этого явления работает большинство холодильных машин и кондиционеров.

Рис. 47

Рассмотрим эти процессы подробнее. Когда молекула газа ударяется о неподвижное препятствие и отскакивает от него, скорость, а следовательно, и кинетическая энергия в среднем не изменяются. Но если молекула ударяется и отскакивает от надвигающегося на нее поршня (например, насоса или компрессора), то ее скорость и кинетическая энергия возрастают (подобно тому, как возрастает скорость теннисного мяча при встречном ударе ракеткой). Надвигающийся поршень передает отражающейся от него молекуле дополнительную энергию, следовательно, внутренняя энергия газа при сжатии возрастает. При отскакивании от удаляющегося поршня скорость молекулы уменьшается, поскольку молекула совершает работу, толкая удаляющийся поршень. Поэтому расширение газа, связанное с отодвиганием поршня или слоев окружающего газа, сопровождается совершением работы и приводит к уменьшению внутренней энергии газа.

Итак, сжатие газа внешней силой вызывает его нагревание, а расширение газа сопровождается его охлаждением.

Воздушный пистолет

Оборудование и принадлежности:

• одноразовый шприц емкостью 20 мл;

• винная пробка.

Из предыдущего опыта мы узнали, что при повышении давления повышается внутренняя энергия газа, следовательно, сжатый газ способен выполнять работу. Аналогично расширяющимся пороховым газам сжатый воздух может сообщать ускорение и метательному снаряду.

Давайте попробуем сделать примитивный однозарядный пневмопистолет. Для этой цели отрежьте от шприца емкостью 20 мл переднюю стенку, к которой присоединяется игла. В качестве снаряда будем использовать винную пробку. Кора пробкового дуба – материал мягкий и податливый, поэтому ее легко будет подогнать под необходимые формы. Отведите поршень шприца в крайнее положение, а со свободной стороны вставьте пробковый снаряд (рис. 48, а). Пробка должна входить плотно, но не слишком глубоко в ствол вашего импровизированного оружия.