Dentro e fuori: dimostrazione della legge di Boyle

Un progetto scientifico pieno di pressione di Science Buddies

Concetti chiaveFisicaGasPressioneVolumeLegge di Boyle

introduzione Probabilmente hai già aperto una bibita e hai fatto uscire il liquido effervescente dalla bottiglia, creando un enorme pasticcio. Perché succede? Ha a che fare con l'anidride carbonica che viene aggiunta al liquido per renderlo frizzante. L'apertura della bottiglia rilascia la pressione accumulata all'interno, provocando la fuoriuscita della miscela gas-liquido dalla bottiglia. In questa attività dimostrerai, con l'aiuto di palloncini pieni di aria e acqua, come un gas cambia volume a seconda della sua pressione.

Sfondo La differenza tra solidi, liquidi e gas è il comportamento delle particelle (molecole o atomi). Le particelle nei solidi sono generalmente strettamente raggruppate secondo uno schema regolare. Sebbene le particelle in un liquido siano anche vicine tra loro, sono in grado di muoversi liberamente. Le particelle di gas, tuttavia, sono ampiamente sparse e occupano molto spazio. Continuano a diffondersi in qualsiasi spazio disponibile. Ciò significa che, a differenza dei liquidi e dei solidi, il volume di un gas non è fisso. Robert Boyle, chimico e fisico del XVII secolo, scoprì che il volume del gas, ovvero quanto spazio occupa, è correlato alla sua pressione e viceversa. Scoprì che se si pressurizza un gas, il suo volume si contrae. Se diminuisci la sua pressione, il suo volume aumenta.

Puoi osservare un'applicazione nella vita reale della legge di Boyle quando riempi d'aria le gomme della tua bicicletta. Quando si pompa aria in uno pneumatico, le molecole di gas all'interno dello pneumatico vengono compresse e ravvicinate. Ciò aumenta la pressione del gas e inizia a spingere contro le pareti del pneumatico. Puoi sentire come il pneumatico diventa pressurizzato e più stretto. Un altro esempio è una bottiglia di soda. Per ottenere l'anidride carbonica nel liquido, l'intera bottiglia viene solitamente pressurizzata con gas. Finché la bottiglia è chiusa, è molto difficile da spremere, poiché il gas è confinato in uno spazio ristretto e preme contro le pareti della bottiglia. Quando si rimuove il tappo, tuttavia, il volume disponibile aumenta e una parte del gas fuoriesce. Allo stesso tempo la sua pressione diminuisce.

Una dimostrazione importante della legge di Boyle è la nostra respirazione. Inspirare ed espirare significa sostanzialmente aumentare e diminuire il volume della nostra cavità toracica. Ciò crea una bassa e un'alta pressione nei nostri polmoni, con il risultato che l'aria viene risucchiata nei nostri polmoni e fuoriesce dai nostri polmoni. In questa attività creerai la tua dimostrazione della legge di Boyle.

Materiali

Preparazione

Procedura

Osservazioni e risultati Hai visto l'aria all'interno del palloncino pieno d'aria contrarsi ed espandersi? Senza chiudere la punta della siringa con il dito, è possibile premere facilmente lo stantuffo. L'aria può fuoriuscire attraverso l'apertura sulla punta della siringa. Ma quando chiudi la siringa con il dito l'aria non può più uscire. Se si preme sullo stantuffo, si aumenta la pressione dell'aria e quindi l'aria nel palloncino si contrae o diminuisce il suo volume. Avresti dovuto vedere il palloncino pieno d'aria accartocciarsi e ridursi di dimensioni. Succede il contrario quando si chiude l’apertura della siringa e si tira indietro lo stantuffo. Questa volta riduci la pressione dell'aria all'interno della siringa e il suo volume aumenta. Di conseguenza il pallone pieno d'aria si espande e cresce di dimensioni: una perfetta dimostrazione della legge di Boyle!

I risultati sembrano diversi con il palloncino pieno d'acqua. Anche se quando si preme lo stantuffo si comprime l'aria all'interno della siringa, l'acqua all'interno del palloncino non viene compressa. Il palloncino rimane della stessa dimensione. Il palloncino d'acqua mantiene la sua forma anche quando si estrae lo stantuffo mentre si chiude la punta della siringa. A differenza dei gas, i liquidi non sono comprimibili poiché le loro particelle sono già molto vicine tra loro. La legge di Boyle si applica solo ai gas.

Se hai riempito anche la siringa con acqua, dovresti comunque vedere il palloncino pieno d'aria restringersi mentre spingi lo stantuffo nella siringa. Il palloncino riempito d'aria avrebbe dovuto espandersi anche quando si estraeva lo stantuffo mentre la punta della siringa era chiusa. Potresti aver notato, tuttavia, che non sei riuscito a spingere e tirare lo stantuffo dentro e fuori quanto potevi con la siringa piena d'aria. Ciò è dovuto ancora una volta al fatto che i liquidi non possono essere compressi come i gas. Avresti dovuto osservarlo anche quando cercavi di spingere o tirare indietro lo stantuffo nella siringa piena d'acqua con il palloncino pieno d'acqua. Probabilmente era impossibile spostare lo stantuffo dentro e fuori!