W naszych poprzednich artykułach na tematMateriał, omawialiśmy, że cała materia ma masę i zajmuje przestrzeń. Studenci zazwyczaj rozumieją pojęciewłaściwości materiiale napotykają trudności w stosowaniu tej koncepcji podczas odpowiadania na pytania.
W tym artykule omówimy proces myślowy dotyczący rozwiązywania innego rodzaju pytań aplikacyjnych podczas testowania na platformiewłaściwości materii. Dodatkowo przeanalizujemy również dodatkowe pytanie, które zdezorientowało wielu uczniów.
Czym będę się dzielić w tym artykule ukrywać
1. Informacje ogólne
2. Scenariusz nr 1: Przyłożenie siły do gazu
3. Scenariusz nr 2: Dodanie większej ilości gazu do tego samego pojemnika
4. Spróbujmy zadać pytanie
6. Spróbujmy zadać dodatkowe pytanie!
Informacje ogólne
Na początek przypomnijmy sobie, jakie są właściwości trzech różnych stanów materii: stałego, ciekłego i gazowego.
Kiedy mówi się, że obiekt nie ma określonego kształtu, oznacza to, że przyjmuje on kształt pojemnika, w którym jest umieszczony i jest gazem lub cieczą. Natomiast przedmiot znajdujący się w stanie stałym ma określony kształt i nie przybiera kształtu pojemnika, w którym się znajduje.
Co zatem oznacza stwierdzenie „gazy można sprężać”?
Mówiąc najprościej, stwierdzenie to w rzeczywistości oznacza, że gazy można ściskać. Wielu z Was wie, że sprężanie gazów spowodowane jest przyłożeniem siły do gazu.
Czy wiesz, że możemy również spowodować sprężenie gazów, dodając więcej gazu do tego samego pojemnika?
Aby lepiej zrozumieć koncepcję sprężania gazów, poniżej przedstawiono kilka diagramów ułatwiających wizualizację:
Oto jak wygląda bryła:
Weźmy jedną czarną kulę jako jedną jednostkę cząstki stałej. Jak widać na powyższym schemacie, cząstki stałe są blisko siebie upakowane.
Nie ma „przestrzeni” dla ruchu cząstek stałych. W tym przypadku, nawet gdy na cząstki stałe przykładana jest siła (jak widać powyżej), ciała stałego nie można sprasować.
Oto jak wygląda ciecz:
Jak widać na diagramie, chociaż cząstki cieczy (niebieskie kulki) nie są tak gęsto upakowane w porównaniu z cząstkami stałymi, nadal nie ma zbyt wiele „przestrzeni” na przemieszczanie się cząstek cieczy.
Dlatego też cząstki cieczy zrobiłyby to samoniebyć w stanie ściskać nawet pod wpływem przyłożonej siły.
Oto jak wygląda gaz:
Jak widać na diagramie, pomiędzy 4 jednostkami cząstek gazu (pomarańczowe kulki) jest mnóstwo „pustej przestrzeni”. Dzięki tej „pustej przestrzeni” pomiędzy 4 jednostkami cząstek gazu, cząstki gazu mają przestrzeń do poruszania się. Umożliwia to zatem kompresję cząstek gazu.
Jak wspomniano wcześniej, kompresja może wystąpić wdwa scenariuszedla gazów.
Scenariusz nr 1: Przyłożenie siły do gazu
Ten scenariusz ma miejsce, gdy pojemnik z gazem staje się mniejszy, jak pokazano na poniższym schemacie. To powoduje, że cząsteczki gazu zbliżają się do siebie, zmniejszając „pustą przestrzeń” pomiędzy cząsteczkami gazu, co jest również znane jakoKOMPRESJA.
Scenariusz nr 2: Dodanie większej ilości gazu do tego samego pojemnika
Ten scenariusz ma miejsce, gdy pojemnik pozostaje tej samej wielkości, jednak w pojemniku umieszcza się więcej jednostek cząstek gazu. Zmniejsza to „pustą przestrzeń” pomiędzy każdą jednostką cząstek gazu, tworząc efektKOMPRESJA, jak pokazano na poniższym schemacie.
Teraz, gdy ponownie omówiliśmy właściwości różnych stanów materii i zagłębiliśmy się w koncepcję kompresji, przyjrzyjmy się następującemu pytaniu!
Przeczytaj także:
- Przewodnik dla początkujących po właściwościach materii
- Zastosowanie pojęć materii
Spróbujmy zadać pytanie
Źródło: Szkoła dla dziewcząt św. Mikołaja – arkusz egzaminacyjny P5 SA2 z przedmiotów ścisłych 2017 [Q35]
Część (A):Powietrze może być nadal pompowane do nadmuchiwanego materaca, nawet jeśli jest on całkowicie napompowany. Podaj właściwość powietrza, która pozwala na to.
Proces myślowy
Po pierwsze, musimy określić, jaki jest stan materii powietrzagaz.
Jedną z właściwości gazu jest to, że nie ma on określonej objętości i można go sprężyć. Dlatego też, nawet gdy materac jest w pełni napompowany, powietrze może zostać wpompowane do materaca, ponieważ pomiędzy cząsteczkami powietrza pozostają „puste przestrzenie”, tak jak we wspomnianym wyżej przypadku.Scenariusz nr 2.
Nasza sugerowana odpowiedź
Powietrze nie ma określonej objętości i można je sprężyć.
Część (B):Czy masa nadmuchiwanego materaca wzrośnie, zmaleje czy pozostanie taka sama po wpompowaniu do niego większej ilości powietrza? Podaj powód swojej odpowiedzi.
Proces myślowy
Powietrze to materia, która ma masę i zajmuje przestrzeń. Pompującwięcej powietrzaw nadmuchiwany materac, to oznacza, żewięcej sprawyjest wprowadzany do nadmuchiwanego materaca. Zwięcej sprawy, tam będziewięcej masy, zatem masa będziezwiększyć.
Nasza sugerowana odpowiedź
Masa nadmuchiwanego materaca wzrośnie. Kiedy do materaca zostanie wpompowana większa ilość powietrza, będzie w nim więcej materii, co spowoduje wzrost masy nadmuchiwanego materaca.
Część (C):Kiedy nadmuchiwany materac zostanie pozostawiony na kilka godzin na palącym słońcu, stanie się twardszy. Wyjaśnij dlaczego.
Proces myślowy
Obecność gorącego słońca wskazuje na obecnośćciepło. Powietrze w materacu nabierze ciepła od gorącego słońca izwiększać. Ponieważ w pełni napompowany materac ma określoną objętość, objętość materaca nie uległa zmianie. Powoduje to, że rozprężone powietrzewywierać większą siłę pchaniado wewnętrznych ścianek materaca, powodując jego usztywnienie.
Nasza sugerowana odpowiedź
Powietrze w materacu nabrało ciepła od słońca, rozszerzyło się i zwiększyło swoją objętość. Rozprężone powietrze będzie wywierać większą siłę docisku na wewnętrzne ścianki materaca, powodując, że materac stanie się twardszy.
Jak zmieniłaby się objętość i masa w różnych warunkach?
Przyjrzyjmy się teraz następującym warunkom i określmy, w jakich sytuacjach objętość i/lub masa gazów zmienią się lub pozostaną takie same!
Warunek nr 1
- Masa gazu pozostaje taka sama
- Objętość gazu maleje
Może się to zdarzyć, gdy zmniejszysz rozmiar pojemnika, ale nie dodasz ani nie usuniesz z niego żadnej materii.
Jednym z typowych przykładów jestczynność wpychania strzyka*wki wypełnionej powietrzem.
Jak widać na powyższym schemacie, strzyka*wka została napełniona powietrzem, a jej końcówka była uszczelniona tak, aby powietrze nie mogło się wydostać. Po przyłożeniu siły poprzez wciśnięcie tłoka powietrze zostaje sprężone. W związku z tym przestrzeń zajmowana przez powietrze jest teraz mniejsza (jak widać poniżej).
To pokazuje, że następuje zmniejszenie objętości gazu (chociaż masa gazu pozostaje taka sama). To jest przykładKOMPRESJA, wywierając siłę na gaz.
Warunek nr 2
- Masa gazu wzrasta
- Objętość gazu pozostaje taka sama
Gdy masa wzrasta, oznacza to, że do pojemnika włożono więcej materii. Ponieważ jednak pojemnik (stały – ma określoną objętość) nie zmienił swojego rozmiaru, objętość gazu pozostałaby taka sama.
To także kolejny przykładKOMPRESJAdodając więcej gazu do tego samego pojemnika. To jest podobne doCzęść (B)pytania, które właśnie analizowaliśmy.
Warunek nr 3
- Masa gazu pozostaje taka sama
- Zwiększa się objętość gazu
Ponieważ masa gazu pozostaje taka sama, możemy stwierdzić, że nie następuje dodawanie ani usuwanie gazu z pojemnika. W jaki sposób można zwiększyć objętość bez zwiększania masy?
Klasycznym tego przykładem będzie jedno z pytań dotyczących energii cieplnej w naszym kursie CCI™ (Complete Concept Integration).
„Jak usunąć korek z butelki bez dotykania butelki?”
Jak widać na powyższym schemacie, korek można usunąć z butelki poprzez podgrzanie butelki! Kiedy powietrze w butelce zyskuje ciepło ze źródła ciepła, rozszerza się i zwiększa swoją objętość.
Rozprężanie się powietrza w butelce będzie wywierać siłę pchającą na korek, wypychając go z butelki (jak pokazano strzałką). To jest przykładEKSPANSJA.
Warunek nr 4
- Masa gazu wzrasta
- Zwiększa się objętość gazu
Typowym tego przykładem jest organizowanie przyjęć w domu!
Próbując napompować balon, wdmuchujesz do niego powietrze (jak wskazuje strzałka na poniższym schemacie). Powoduje to, że do balonu dostaje się więcej powietrza, zwiększając ilość materii w balonie. W ten sposób wzrasta masa gazu w balonie.
Ponieważ balon jest wykonany z elastycznego materiału, balon staje się większy w miarę wdmuchiwania do balonu większej ilości powietrza. Wraz ze wzrostem rozmiaru balonu zwiększa się również objętość gazu w balonie. To kolejny przykładEKSPANSJA.
Mam nadzieję, że po przeczytaniu tego artykułu z większą pewnością odpowiadasz na pytania dotyczące stosowania koncepcjiwłaściwości materii.
Zanim odejdziesz, może spróbuj zadać następujące pytanie?
Spróbujmy zadać pytanie dodatkowe!
Jeśli pobiorę 100 cm3 powietrza z pojemnika o pojemności 500 cm3, jaka objętość powietrza pozostanie w pojemniku?
Uczniowie zazwyczaj myślą, że odpowiedzią jest 500 – 100 = 400 cm3 powietrza pozostałego w pojemniku. Ale to jestBŁĘDNY!
Prawidłowa odpowiedź to 500 cm³! Dzieje się tak dlatego, że powietrze nie ma określonej objętości. Powietrze rozszerzyłoby się, zajmując dodatkową przestrzeń w pojemniku, powodując, że objętość powietrza w pojemniku pozostała taka samaTO SAMOprzy 500 cm3.
Notatka:TheMASAilość gazu maleje w miarę usuwania powietrza, ponieważ materia jest usuwana z pojemnika.
Czekajcie na więcej artykułów! 😀
