氣體膨脹

氣體膨脹

目的 

演示氣體的熱膨脹(thermal expansion)幅度。

 

實驗 

在瓶蓋的平滑處沾水倒放在寶特瓶的瓶口。雙手搓熱輕輕地將寶特瓶握實,幾秒鐘後,將會看到瓶蓋在瓶口一直跳動。

 

 

原理思考 

空氣是否容易熱膨脹?

 

果空氣可以視為理想氣體,則可以套用理想氣體方程式。在這個系統的討論下,可視體積為定值。系統一但被加熱,壓力會等比例增加(溫度的單位必須為絕對溫度),若壓力若比瓶蓋的重力大,就可突破而出。相對於液體,液體被加熱時,其膨脹幅度遠不如氣體,這是因為分子間的吸引力較大之故。但被加熱時體積仍會變大,在實驗上,我們可以觀察它的膨脹幅度而決定它的熱膨脹係數。雙手的溫度約30°C,以這樣的溫度和室溫的差距,是造成寶特瓶裡空氣膨脹的主因。

 

討論 

1.瓶蓋有沾水和沒沾水是否會影響演示效果?

2.夏天做這個實驗,效果會比冬天好或差?

3.小瓶子(750ml)和大瓶子(2000ml)的效果有差別嗎?

 

1.沾水的目的是為了讓瓶蓋與瓶口更密合。我們會看到瓶蓋會被氣體擠壓而有暫時性打開的情況,再度密合時,若密合不緊,則空氣會從漏縫逸散,就觀察不到瓶蓋被擠壓打開了。
2.這個實驗是手溫與室溫相差愈大,瓶蓋彈跳的情形會愈明顯。根據熱力學第零定律,溫度一樣的物體是不會彼此傳熱的。室溫與手溫相差愈小,手的熱就愈難傳給寶特瓶。也就是說,冬天時,室溫與手溫相差較大,較易觀察到瓶蓋的跳動。
3.小瓶子的空氣比大瓶子少,手溫如果一樣,則給熱的能力應也相同,在這樣的條件下,小瓶子的空氣溫度容易上升,壓力上升的速度也會比大瓶子快,讓瓶蓋彈跳的效果應該較明顯。

 

關於實驗 

由於空氣為無色不可見,在內部點煙,可以更明顯看出空氣在往外竄出的模樣。

 

參考資料 

“Fundamentals of Physics", 5th ed., John Wiley & Sons, 1997, USA, Chapter 19 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker

 

製作 

王中川

 

指導老師 

朱慶琪、張宇靖

 

撰稿 

王中川