المفاهيم الأساسية

الفيزياء

الغازات

درجة الحرارة

التمدد والانكماش

 

مقدمة

لعلك تعلم أن الكثير من الأجسام تتمدد (أو تصبح أكبر حجمًا) عند تسخينها وتنكمش عندما تبرد، وينطبق هذا الأمر، على سبيل المثال، على المعادن والخشب والخرسانة. ولكن هل كنت تعلم أن الأمر ذاته ينطبق على الغازات أيضًا؟ إذ إنه من الصعب رؤية هذا الأمر عندما يحدث. وهذا النشاط سوف يتيح لك "رؤية" الهواء وهو ينكمش بفعل الماء!

معلومات أساسية

تُعرَّف المادة، سواء في حالتها الصلبة أو السائلة أو الغازية، بأنها "جسم له كتلة وحجم ويشغل حيزًا من الفراغ". وإذا تعرضت المادة للتسخين، فغالبًا ما يتغير شكلها ومساحتها وحجمها، وتُسمَّى هذه الخاصية بالتمدد الحراري. ويرجع السبب وراء هذا التغيير إلى حقيقة أن المادة مكوَّنة من ذرات وجزيئات، وأن تلك الذرات والجزيئات يختلف سلوكها بناءً على ما إذا كانت ساخنة أم باردة. فعند تسخين الجزيئات تبدأ في الاهتزاز والحركة بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى انفصال بعضها عن بعض أكثر، وهو الأمر الذي ينتج عنه تمدُّد المادة. ولكن، من ناحية أخرى، عندما تبرد الجزيئات تقل حركتها إلى حدٍّ كبير، مما يجعلها تشغل مساحة أقل بكثير.

وتُعَد الترمومترات السائلة من التطبيقات الرائعة للتمدد الحراري؛ فالسائل المحبوس داخل الأنبوب الزجاجي الصغير يتغير حجمه بفعل ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها. فإذا أصبح السائل ساخنًا فإنه يتمدد ويرتفع في الأنبوب الزجاجي، مما يدل على ارتفاع درجة الحرارة، أما إذا صار باردًا، فإنه ينكمش وينخفض مستواه في الأنبوب، مما يدل على انخفاض درجة الحرارة. ويمكن في تلك الحالة ربط المقدار المحدد لتغيُّر الحجم بتغيُّر درجة الحرارة، وهذا يتيح لنا قراءة درجة الحرارة من مستوى السائل داخل الترمومتر.

في هذا النشاط أنت أيضًا سوف تجعل السائل يرتفع داخل كوب زجاجي، ليس بسبب التمدد الحراري للسائل، ولكن بسبب الانكماش الحراري للغاز الذي يعلو السائل. هل تشعر بالحيرة؟ إذًا دعنا نبدأ تنفيذ هذا النشاط لنرى كيف يحدث هذا!

أدوات التجربة

اثنان من الأطباق المسطحة المتطابقة

مكعبات ثلج

اثنان من أكواب الماء الشفافة المتطابقة

وعاء كبير (ينبغي أن يكون عميقًا بما يكفي ليسمح بغمر أحد الكوبين داخله)

مياه من الصنبور (ساخنة وباردة)

ملوِّن طعام (اختياري)

الإعداد للتجربة

املأ الوعاء بمياه ساخنة من الصنبور بحرص (استخدم أعلى درجة حرارة متاحة للمياه).

اغمر أحد الكوبين في الماء بحيث يُغطَّى ويمتلئ بالماء بالكامل.

احتفظ بالكوب الآخر في درجة حرارة الغرفة.

ضع مكعبات الثلج في أحد الطبقين المسطحين وأضف إليها ماءً باردًا، بحيث يمتلئ الطبق بأكمله بالماء المثلج.

صب بعض المياه العادية بدرجة حرارة الغرفة في الطبق الثاني، بحيث يصبح مغطى تمامًا بالماء.

يمكنك أيضًا إذا أردت إضافة قطرة أو اثنتين من ملوِّن الطعام إلى الماء في كلا الطبقين لكي تجعل الظاهرة أكثر وضوحًا.

خطوات التجربة

تَحسَّس درجة حرارة الماء في الطبقين بأصبعك. هل تختلف درجة الحرارة في الطبقين اختلافًا كبيرًا؟

أخرج الكوب الزجاجي بحرص من الوعاء الممتلئ بالماء الساخن. كيف يبدو ملمس الكوب؟ هل هو شديد السخونة؟

ادفع مكعبات الثلج إلى جانبي الطبق، وضع الكوب الزجاجي بالمقلوب على الطبق المسطح الذي يحتوي على الماء المثلج. ماذا يحدث للكوب عندما تضعه على الطبق؟ ماذا يحدث للسائل الموجود في الطبق؟

راقب الكوب الزجاجي مدةً تتراوح بين 5 دقائق إلى 10. هل يتغير أي شيء في السائل أو في الكوب خلال تلك المدة؟ إذا كان الجواب بنعم، فماذا يحدث؟ هل يمكنك أن تشرح ما لاحظته؟

بعد مرور 10 دقائق ارفع الكوب من الطبق. كيف يبدو ملمس الكوب هذه المرة؟ هل تغيرت درجة حرارة الكوب في أثناء التجربة؟

بعد ذلك خذ الكوب الزجاجي الثاني الذي لم يكن مغمورًا في الوعاء، وضعه بالمقلوب على الطبق الثاني المملوء بالماء العادي. ماذا في رأيك سوف يحدث للماء في الطبق والكوب هذه المرة؟

مرةً أخرى، راقب الكوب الزجاجي مدةً تتراوح بين 5 إلى 10 دقائق. هل ترى أيَّ تغيُّرات تحدث؟ هل النتائج كما كانت من قبل؟ سواء أكانت الإجابة نعم أم لا، هل يمكنك تفسير السبب؟

نشاط إضافي: هل يمكنك أن تعرف بالضبط كمية المياه التي يمكن للكوب أن يمتصها؟ أضف كميات مختلفة من المياه إلى الطبق واختبر هذا الأمر! قد تحتاج إلى استخدام طبق أكبر إذا أردت إضافة المزيد من المياه.

نشاط إضافي: ما مقدار الفارق المطلوب في درجة الحرارة بين الكوب والماء في الطبق لامتصاص المياه؟ املأ الوعاء بالماء الدافئ (بدلًا من الماء الساخن) وكرر التجربة. يمكنك أيضًا أن تغيِّر درجة حرارة الماء في الطبق. هل ينبغي أن يكون ماءً مثلجًا؟ ما مقدار الفارق المطلوب في درجة الحرارة؟

نشاط إضافي: هل يؤدي تغيير الكوب الزجاجي المستخدم إلى كوب أكبر أو أصغر حجمًا إلى تغيير النتائج؟ هل يمثل شكل الكوب الزجاجي أهمية؟ يمكنك تجربة هذه الاحتمالات بنفسك لتعرف الإجابة!

الملحوظات والنتائج

عند وضع الكوب الزجاجي الدافئ على الطبق المملوء بالماء البارد، لا بد أنك رأيت المياه ترتفع داخل الكوب. ترتفع درجة حرارة الكوب في البداية عندما تغمره المياه الساخنة، وبمجرد رفع الكوب من ذلك الوعاء يحل الهواء محل المياه داخل الكوب، ثم ترتفع درجة حرارة ذلك الهواء أيضًا. وعندما تضع الكوب بالمقلوب على الماء المثلج في الطبق، تعمل المياه المثلجة على تبريد الكوب والهواء الدافئ بداخله، مما يؤدي إلى انكماش الهواء داخل الكوب (بمعنى أن جزيئات ذلك الهواء لا تعود تتحرك بنفس السرعة).

يمارس الهواء المنكمش داخل الكوب ضغطًا ("قوة الدفع" التي تمارسها جزيئات الهواء على الأسطح التي تحتك بها) أقل على الماء في الكوب من ضغط الهواء العادي خارج الكوب. يؤدي ذلك إلى ارتفاع المياه إلى داخل الكوب وضغطها على الهواء في الداخل. في نهاية المطاف، يتوازن اختلاف الضغط ويتوقف ارتفاع المياه. بعبارة أخرى، تحل المياه محل حجم الهواء المنكمش داخل الكوب. لا يحدث هذا الأمر إذا تساوت درجة حرارة الكوب والماء الموجود في الطبق، فلا سبب يجعل الهواء داخل الكوب يبرد، لذلك يبقى بالحجم نفسه ودرجة الضغط نفسها، وكذلك لا يوجد ما يدفع المياه لأعلى داخل الكوب.