Δραστηριότητες: Επαληθεύοντας τους νόμους των αερίων με ένα καλαμάκι 🥤

Οι δύο δραστηριότητες δείχνουν ότι οι νόμοι των αερίων δεν είναι μόνο θεωρία: μπορούμε να τους ελέγξουμε με ένα απλό καλαμάκι πορτοκαλάδας, λίγη πλαστελίνη και νερό. Η πρώτη δραστηριότητα διερευνά τον νόμο του Boyle: βυθίζουμε το καλαμάκι σε ποτήρι με νερό, κλείνουμε το πάνω άκρο με πλαστελίνη και το βγάζουμε — μαζί έρχεται και λίγο νερό, γιατί ο εγκλωβισμένος αέρας συμπιέζεται. Όταν αναποδογυρίσουμε το καλαμάκι, ο αέρας αλλάζει όγκο, και καλούμαστε να μετρήσουμε πίεση και όγκο στις δύο θέσεις ώστε να ελέγξουμε τη σχέση $pV = \text{σταθ.}$ Η δεύτερη δραστηριότητα διερευνά την ισοβαρή μεταβολή: βάζουμε το καλαμάκι (κλειστό άκρο κάτω) σε νερό διαφόρων θερμοκρασιών και ελέγχουμε αν $V/T = \text{σταθ.}$

Το «κλειδί» της πρώτης δραστηριότητας είναι ο υπολογισμός της πίεσης του εγκλωβισμένου αέρα. Ο όγκος γράφεται $V_1 = \ell_1 S$ και $V_2 = \ell_2 S$, όπου $S$ η διατομή του καλαμακιού και $\ell$ το μήκος της στήλης αέρα. Μια στήλη υγρού ύψους $h$ δημιουργεί στη βάση της πίεση $\varepsilon h$, όπου $\varepsilon$ το ειδικό βάρος του υγρού. Επειδή στο ανοιχτό άκρο η πίεση είναι πάντα ίση με την ατμοσφαιρική $p$, η πίεση του εγκλωβισμένου αέρα είναι:

Στη δεύτερη δραστηριότητα κλείνουμε το ένα άκρο του καλαμακιού με πλαστελίνη και προσπαθούμε να το γεμίσουμε με νερό· βλέπουμε ότι μένει εγκλωβισμένη μια στήλη αέρα. Με ένα μαρκαδόρο σημειώνουμε το ύψος αυτής της στήλης για διάφορες θερμοκρασίες (που μετράμε με θερμόμετρο) και ελέγχουμε αν παραμένει σταθερός ο λόγος $\ell/T$. Έτσι η πίεση παραμένει πρακτικά σταθερή (ίση με την ατμοσφαιρική) και απομονώνουμε τη σχέση όγκου–θερμοκρασίας.