Djelovanje topline: jednostavni eksperimenti s krutinom, tekućinom i plinovima

Zašto slonovi špricaju vodu sa svojih leđa? Kako nastaje magla? I zašto vlakovi proizvode `klik klop` buku? Vaši će učenici imati odgovore na sva ova pitanja kad shvate kako toplina utječe na krutinu, tekućinu i plinove.

U ovoj maloj zbirci pokusa, započet ćemo s istraživanjem o tome kako toplina utječe na promjenu svojstava kod ovih triju agregatnih stanja materije. Potom smo ispitali kako toplina mijenja plinove, tekućinu i krutinu iz jednog stanja u drugo. U stilu pravih znanstvenika, nakon svakog eksperimenta, propitivali smo naše rezultate i promišljali o tome kako bismo mogli poboljšati naša istraživanja.

Svaki od pet eksperimenata koristi jednostavne materijale i pogodan je za učenike u dobi 7-11 (iako, primjećujete, da recenzent sugerira da je članak pogodan za učenike u dobi 10-13). Možete ih koristiti zajedno, i tako imati pozornost svoji učenika cijeli dan, ili ih razdvojite i koristite u zasebnim lekcijama. Prije početka, pitajte svoje učenike da razmisle što su to zapravo krutine, tekućine i plinovi, u pogledu njihova pojavljivanja i njihovih svojstava^w1.

Mijenjanje svojstava

1) Napravite vlastiti termometar: širenje plinova prilikom zagrijavanja

Ovaj eksperiment se temelji na ideji da se tijekom zagrijavanja plinovi šire. Učenici će napraviti vlastiti termometar koji se temelji na ovom principu.

Materijali

Za grupu učenika:

• Kruta plastična boca s poklopcem
• Tijesto za igru ili glina za modeliranje, npr. Plastelin^®
• Prozirna plastična slamka za piće
• Škare
• Boja za hranu (po izboru)
• Voda iz slavine

Postupak

1. Koristeći škare napravite rupu na poklopcu od boce, dovoljno veliku da kroz nju stane plastična slamka za piće.
    
2. Napunite bocu dopola s hladnom vodom.
    
3. Dodajte nekoliko kapi boje za hranu i promiješajte.
    
4. Provucite slamku kroz poklopac od boce i zavrnite ga pritom pazeći da slamka ne dotiče dno boce.
    
5. Glinu za modeliranje plombirajte oko rupe na poklopcu, te time pričvrstite slamku. Plomba mora biti potpuno nepropusna za zrak.
    
6. Jednom rukom uhvatite gornji dio boce. Što se događa s tekućinom u slamci, i zašto?
   
    

Što se događa?

Toplina vaše ruke grije zrak unutar boce. Zrak se širi i pritišće vodu, što uzrokuje podizanje vode kroz slamku.

Pitanja za učenike

1. Je li stvarno toplina ta koja je uzrokovala podizanje tekućine kroz slamku, ili bi za to mogao biti odgovoran pritisak vaših ruku?
    
2. Kako to možemo testirati pokusom?

Odgovori: boca je bila kruta i, pretpostavljajući da ju niste stiskali, podizanje tekućine kroz slamku uzrokovano je toplinom, a ne tlakom. Ovo možete provjeriti tako što ćete ruke približiti boci, ne dodirujući je i vidjet ćete hoće li se tekućina i dalje uzdizati kroz slamku.

2) Pogledajte rast igle za pletenje: i krutine se šire prilikom zagrijavanja

U prethodnom eksperimentu, toplina ruku bila je dovoljna da znatno proširi plin u boci. Krutine se, međutim, šire slabije od plinova uz određeni porast temperature. U sljedećem eksperimentu, koristit ćemo jednostavan, ali vrlo osjetljiv uređaj kako bismo promatrali širenje igle za pletenje dok ju grijemo svijećom.

Materijali

• Metalna igla za pletenje
• Dvije prazne staklene boce (pogodne su vinske boce)
• Pluto koje odgovara jednoj od boca
• Set ključeva ili drugi objekt (npr. glina za modeliranje) kojim bi pritisnuli jedan kraj igle za pletenje
• Hrpa knjiga (ili neki drugi predmeti kojima ćete poduprijeti uređaj)
• Šivača igla s cilindričnim vratilom
• Slamka
• Svijetli čaj (kratka svijeća)
• Šibice

Postupak

1. Gurnite pluto do pola u jednu od boca.
    
2. Gurnite oštri kraj igle za pletenje u stranu pluta, tako da igla za pletenje tik iznad ruba boce.
    
3. Postavite drugi dio igle za pletenje preko otvora druge boce.
    
4. Zabodite šivaću iglu kroz slamku, na trećinu dužine slamke. Otvor bi trebao biti dovoljno mali kako se slamka ne bi labavo okretala oko igle.
    
5. Postavite šivaću iglu (zajedno sa vezanom slamkom) preko otvora druge boce, ispod igle za pletenje i pod pravim kutom u odnosu na nju.
    
6. Objesite masu (npr. ključeve) na slobodan kraj igle za pletenje.
    
7. Usmjerite slamku nadolje.
    
8. Postavite hrpu knjiga između dviju boca.
    
9. Postavite svijeću na vrh hrpe knjiga. Prilagodite visinu hrpe knjiga na način da je vrh svijeće približno 3 cm od igle za pletenje.
    
10. Zapalite svijeću. Što se događa sa slamkom? Što je uzrok tome?
     

Što se događa?

Toplina svijeće uzrokuje širenje igle za pletenje. Kako se ona uzdužno širi, pomiće se i kotrlja šivaću iglu. Slamka povećava sitne pomake šivaće igle.

Pitanja za učenike

1. Vidjeli smo da se krutine i plinovi šire prilikom zagrijavanja, ali što je s tekućinama?
   
   Odgovor: tekućine nisu iznimka – i one se šire prilikom zagrijavanja
    
2. Koje problem može uzrokovati toplinsko širenje kod mostova i željeznica?
   
   Odgovor: vidi slike na desnoj strani.

Promjena stanja

Dosad, učenici su vidjeli što se događa s krutinama i plinovima prilikom zagrijavanja: one se šire. Također, rekli ste učenicima da se s tekućinama događa isto to. No, što se događa ukoliko grijemo tvari još duže? Neka vaši učenici zamisle grumen zlata; to je krutina pri sobnoj temperaturi, na 100 °C, čak i na 500 °C. Ali što će se dogoditi ako povisimo temperaturu još i više, na 1064 °C? Na ovoj temperaturi nešto se nevjerojatno događa: zlato krutina postaje tekućina! Zagrijte tekućinu još i više (na 2856 °C) te tekućina zavrije i pretvara se u plin.

Naravno, ovo je vrlo ekstreman primjer; većina nas nikada neće doživjeti zlato u njegovu plinovitu stanju. No, svi će se u razredu upoznati s vodom koja prolazi kroz tri agregatna stanja: krenuvši od krutine leda koja prelazi u tekuću vodu (0 °C), a potom u plin, vodenu paru (100 °C). Dakle, kao što ih širi, toplina može uzrokovati promjenu agregatnih stanja kod tvari. Različite tvari zahtijevaju različite toplinske vrijednosti za to: potrebno je više topline da bi zavrelo zlato nego što je to potrebno vodi. No, barem u teoriji, sve tvari mogu postojati u tri agregatna stanja.

U sljedećim pokusima, uočit ćemo što se događa kada tekuća voda prelazi u plin – i obrnuto.

3) Tekućina u plin: isparavanje na tvome prstu

Čak i prije nego što tekućina zavrije, ona se može početi pretvarati u plin – zamolite svoje učenike da promisle o snopovima pare koji su se pojavili na posudi s vodom puno prije nego je ona zavrela. U ovome eksperimentu, učenici mogu uočiti da čak i naši prsti mogu proizvesti dovoljno topline da bi male količine vode prešle iz tekućeg u plinovito stanje. Mi to nazivamo proces isparavanjan.

Materijali

• Čaša voder

Postupak

Ovaj eksperiment najbolje je izvesti vani ili negdje gdje je propuh, kao što je blizina otvorenoga prozora.

1. Umočite kažiprst u vodu te ga potom držite uspravno.
    
2. Što vidite i osjećate?

Što se događa?

Voda isparava s vašeg prsta, ostavljajući ga suhim. Na prstu se također osjeća hladnoća. To se događa jer se toplina vašega tijela prenosi na tekuću vodu i prenese ju u vodenu paru.

Pitanja za učenike

1. U ovom smo eksperimentu zagrijavali tekuću vodu, ali što će se dogoditi kada zagrijavamo krutinu? Razmislite što bi se dogodilo kada bismo zagrijavali maslac.
   
   Odgovor: krutine se tope kad se zagrijavaju.
    
2. Kako možemo unaprijediti naš eksperiment?
   
   Odgovor: što ako na vašem prst osjećate hladnoću, ali ne zbog isparavanja, već zbog toga što je voda bila hladna? Kako bismo provjerili tu teoriju, koristit ćemo vodu zagrijanu na tjelesnoj temperaturi (37 °C). Pokušajte – trebali biste dobiti isti rezultat.
    

3. Uzeći u obzir što ste naučili, pokušajte objasniti zašto slonovi ponekad štrcaju mlaz vode na njihovim leđima?
   
   Odgovor: slonovi ovo čine kako bi se rashladili, i to iskorištavanjem snage hlađenja isparavanjem.
    

4) Plin u tekućinu: kondenzacija u vrećici

Učenici su vidjeli da zagrijavanje tekućine uzrokuje njezino pretvaranje u plin (isparavanje), ali ovo je reverzibilan proces: hlađenje plina pretvara ga u tekućinu, u procesu koji se naziva kondenzacija. U sljedećem eksperimentu učenici će proučavati kondenzaciju.

Materijali

• Prozirna plastična vrećica
• Elastična vrpca (lastik)
• Mala tkanina
• Voda

Postupak

1. Stavite tkaninu pod slavinu kako biste ju smočili te ju potom ocijedite uklanjajući tako višak vode.
    
2. Stavite tkaninu u plastičnu vrećicu. Ostavite malo zraka unutra i zatvorite ju.
    
3. Ostavite vrećicu na toplom mjestu, kao što su radijator ili izravno na sunčevoj svjetlosti, kroz jedan sat. Što primjećujete?

Što se događa?

Formiraju se kapljice vode na unutarnjoj strani vrećice.

Kako? Voda isparava s mokre krpe te tako zrak u vrećici sadrži veliku količinu vodene pare. Unutarnja površina vrećice je dovoljno hladna kako bi vodenu paru promijenila u tekuću vodu.

Pitanja za učenike

1. U ovom smo eksperimentu hladili plin (vodenu paru), ali što će se dogoditi ako hladimo tekućinu? Razmislite o tome kako dobivamo kocke leda.
   
   Odgovor: kada se hladi, tekućina se zamrzne i postaje krutina.
    
2. Kako bismo mogli prilagoditi naš eksperiment da bi se kapljice vode brže stvarale?
   
   Odgovor: čineći površinu vrećice hladnijom, primjerice postavljanjem kockica leda pored nje, što će ubrzati proces kondenzacije.
3. Koji uzrokuje maglu: isparavanje ili kondenzacija?
   
   Odgovor: magla nastaje kada se vodena para hladi i kondenzira se u oblak sitnih kapljica vode u blizini tla (poput oblaka, ali niže, pri tlu).

Zahvala

Upute o tome kako napraviti termometar preuzete su i prilagođene sa web stranica California Energy Commission Energy Quest. Na njihovoj web stranici naći ćete ovaj, i druge znanstvene projekte..