مقدمه:
آیا تا به حال به پف داخل مواد غذایی مانند نان و کیک دقت کرده‌‌اید؟ این پُف به دلیل انبساط گازها به وجود می‌‌آید. گازها در همه جا از آشپزخانه‌‌ی منزل‌‌تان تا کُل جهان هستی وجود دارند. در این فعالیت علمی شما مقداری گاز را داخل یک محفظه‌‌ی قابل انبساط یعنی بادکنک بررسی خواهید کرد و تأثیر دما بر نحوه‌‌ی انبساط و انقباض گازها را آزمایش می‌‌کنید.

پیش‌‌زمینه:
همه چیز در جهان اطراف ما از ماده تشکیل شده است، از جمله یک بادکنک و آنچه که داخلش است.
ماده در چهار حالت یا فاز از کمترین سطح انرژی تا بیشترین در جهان وجود دارد. این چهار فاز شامل جامد، مایع، گاز و پلاسما هستند. گازها از جمله هوا یا هلیومی که داخل بادکنک است، به شکل محیطی که در آن هستند درمی‌‌آیند. مولکول‌‌های گاز در فضایی که قرار دارند پخش می‌‌شوند تا تمام آن فضا به طور یکسان از مولکول‌‌های گاز پر شود. مولکول‌‌های گاز با یکدیگر در ارتباط نیستند. آنها در خطی مستقیم حرکت می‌‌کنند تا زمانی که به یکدیگر و یا دیواره‌‌ی محفظه‌‌ای که در آن قرار دارند برخورد کنند، سپس برمی‌‌گردند و حرکت خود را در جهتی دیگر ادامه می‌‌دهند تا مجدداً با مولکولی دیگر یا دیواره‌‌ی محفظه برخورد کنند. مجموع انرژی حرکتی تمام مولکول‌‌های گاز داخل یک محفظه، متوسط انرژی جنبشی نام دارد.

این متوسط انرژی جنبشی (حرکتی) تحت تأثیر دماست و در دماهای متفاوت مقدار آن تغییر می‌‌کند. زمانی که مولکول‌‌های گاز گرم می‌‌شوند، متوسط انرژی جنبشی آنها افزایش می‌‌یابد. بدین معنی که مولکول‌‌های گاز با سرعت بیشتری حرکت می‌‌کنند و برخوردهای بیشتر و سخت‌‌تری با هم در محفظه دارند. با سرد شدن این مولکول‌‌ها متوسط انرژی جنبشی آنها کاهش می‌‌یابد و در نتیجه مولکول‌‌ها با سرعت کمتری حرکت می‌‌کنند و برخورد بین آنها کمتر و ضعیف‌‌تر می‌‌شود.

مواد و وسایل مورد نیاز:

فریزر با فضای خالی مناسب
دو عدد بادکنک که در حدود ۹ تا ۱۲ اینچ قابلیت باز شدن داشته باشند.
یک قطعه نخ به طول حداقل بیست اینچ
ماژیک
متر اندازه‌‌گیری پارچه (متر معمولی یا خط‌‌کش نیز قابل استفاده است اما ترجیح استفاده از متر مخصوص پارچه است.)
یک تکه کاغذ و مداد یا خودکار
ساعت یا تایمر
یک همراه برای کمک

آماده‌‌سازی:

دقت کنید که فریزرتان فضای کافی برای یک بادکنک باد شده داشته باشد، طوری که بادکنک در آنجا تحت فشار نباشد. اگر برای ایجاد فضای مناسب لازم است مواد غذایی داخل فریزر را جابه‌‌جا کنید، حتماً از بزرگتر خود برای این کار اجازه بگیرید. همچنین دقت کنید اجسام نوک تیز داخل فریزر نباشند.
یک بادکنک را در حد معمولی و نه خیلی زیاد باد کنید. سپس سر آن را خوب ببندید تا هوا از بادکنک خارج نشود. با کمک همراه خود، محیط وسیع‌‌ترین بخش بادکنک را با استفاده از متر اندازه‌‌گیری پارچه و یا یک نخ (و سپس محاسبه‌‌ی طول نخ با متر) اندازه بگیرید. محیط آن چقدر است؟
یک بادکنک دیگر را به اندازه‌‌ی بادکنک اول باد کنید اما سر آن را گره نزنید. در عوض آن را میان انگشت شست و اشاره‌‌ی خود نگه دارید تا هوا اجازه‌‌ی خروج از بادکنک را نداشته باشد. از همراه خود بخواهید محیط بادکنک (در وسیع‌‌ترین بخش آن) را اندازه بگیرد. سپس مقدار باد داخل بادکنک را طوری تنظیم کنید تا محیط آن در محدوده‌‌ی نیم اینچ کمتر یا بیشتر از محیط بادکنک اول قرار بگیرد. برای این کار ممکن است لازم باشد کمی از هوای داخل بادکنک را خالی کنید و یا در آن بدمید. حال سر بادکنک را خوب ببندید.

روش کار:

قسمت بالای یکی از بادکنک‌‌ها را نگاه کنید. در بالاترین قسمت بادکنک نقطه‌‌ای تیره‌‌تر از سایر نقاط دیده می‌‌شود. با ماژیک به دقت نقطه‌‌ای در وسط این ناحیه‌‌ی تیره بکشید.
سپس یک متر اندازه‌‌گیری پارچه (و یا یک نخ و متر معمولی یا خط‌‌کش) بردارید و با دقت با ماژیک دو خط کوچک در بالای بادکنک با فاصله‌‌ی دو و نیم اینچ از هم به طوری که نقطه‌‌ی تیره در میان آنها باشد رسم کنید. برای انجام این کار، می‌‌توانید متر اندازه‌‌گیری را طوری در قسمت بالایی بادکنک قرار دهید که نقطه‌‌ی ۱.۲۵ اینچ مطابق با نقطه‌‌ی تیره‌‌ی میانی باشد، سپس دو خط کوچک در اندازه‌‌های صفر و دو و نیم اینچ رسم کنید.
همین کار را با بادکنک دوم انجام دهید تا دو خط کوچک به فاصله‌‌ی دو و نیم اینچ از هم در بالای بادکنک رسم شوند.
روی بادکنک اول عدد ۱ و روی بادکنک دوم عدد ۲ را با ماژیک بنویسید.
از آنجا که ممکن است رسم خط‌‌های کوچک با ماژیک دشوار باشد، پس از رسم آنها با متر فاصله‌‌ی دقیق دو خط را اندازه بگیرید. این عدد را برای هر دو بادکنک روی کاغذ یادداشت کنید. به نظر شما چرا دانستن فاصله‌‌ی دقیق بین این دو خط اهمیت دارد؟

بادکنک شماره‌‌ی یک را داخل فریزر در فضایی که آماده کرده‌‌اید بگذارید. به مدت ۴۵ دقیقه آن را در فریزر نگه دارید. در طول این مدت در فریزر را باز نکنید. به نظر شما ابعاد بادکنک در اثر ماندن در فریزر چه تغییری می‌‌کند؟
در این مدت که بادکنک اول داخل فریزر است، بادکنک شماره‌‌ی دو را در جایی با دمای معمولی (دمای اتاق) و دور از نور مستقیم خورشید و لامپ قرار دهید.
پس از گذشت ۴۵ دقیقه از قرار گرفتن بادکنک اول در فریزر، متر اندازه‌‌گیری خود را داخل فریزر ببرید و همانطور که بادکنک داخل فریزر است، به سرعت فاصله‌‌ی بین دو خطی که رسم کرده‌‌اید را اندازه بگیرید. آیا فاصله‌‌ی بین دو خط تغییر کرده است؟ این تغییر در ابعاد بادکنک چه چیزی را نشان می‌‌دهد؟
حال فاصله‌‌ی بین دو خط کوچک در بادکنک دوم را که در دمای اتاق قرار داشته است اندازه بگیرید. آیا فاصله‌‌ی بین دو خط تغییر کرده است؟ این تغییر در ابعاد بادکنک چه چیزی را نشان می‌‌دهد؟
به طور کلی، ابعاد بادکنکی که در فریزر قرار دارد چه تغییری می‌‌کند؟ نتایجی که به دست آورده‌‌اید چه چیزی را در مورد تغییر حجم گاز تحت تأثیر دما بیان می‌‌کند؟

آزمایش‌‌های تکمیلی:

بادکنکی که داخل فریزر بوده است را به مدت ۴۵ دقیقه در دمای اتاق قرار دهید تا به دمای عادی برسد. حال مجدداً فاصله‌‌ی بین دو خط را اندازه بگیرید. آیا ابعاد بادکنک تغییری کرده است؟
این فعالیت را یک مرتبه‌‌ی دیگر انجام دهید، اما این بار به جای قرار دادن بادکنک شماره‌‌ی یک در فریزر، آن را به مدت ۴۵ دقیقه در محیطی گرم مانند هوای بیرون از خانه یا داخل اتومبیل در یک روز گرم قرار دهید. دقت داشته باشید که بادکنک نباید در معرض تابش مستقیم خورشید و یا در نزدیکی لامپ داغ باشد، چرا که سبب خروج گاز از بادکنک می‌‌شود. آیا ابعاد بادکنک پس از قرار گرفتن در هوای گرم دچار تغییر می‌‌شود؟
در این فعالیت علمی، شما از هوای داخل ریه‌‌هایتان برای پر کردن بادکنک استفاده کردید. اما سایر گازها ممکن است رفتار دیگری داشته باشند. می‌‌توانید بار دیگر این فعالیت را انجام دهید و از گاز هلیوم برای پر کردن بادکنک‌‌ها استفاده کنید. استفاده از گاز هلیوم چه تأثیری در نحوه‌‌ی تغییر حجم بادکنک پس از قرار گرفتن داخل فریزر دارد؟

در عالم نيز همين قوانين و پديده‌ها که در دنياي ميکروسکپي آزمايش کرديد مي‌افتد.

مشاهده و نتیجه‌‌گیری:

آیا بادکنک شماره‌‌ی یک که داخل فریزر قرار دارد در مقایسه با بادکنک شماره‌‌ی دو که در دمای اتاق است منقبض می‌‌شود؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که زمانی که بادکنک را داخل فریزر می‌‌گذارید، فاصله‌‌ی بین دو خط مقدار بسیار کمی کاهش می‌‌یابد و از ۲.۵ اینچ به ۲.۲۵ اینچ می‌‌رسد (در حدود ده درصد کاهش)؛ بادکنک منقبض می‌‌شود. فاصله‌‌ی بین دو خط در بادکنکی که در دمای اتاق قرار دارد تغییر خاصی نمی‌‌کند (و یا کاهش بسیار ناچیزی دارد.)، به این معنا که ابعاد بادکنک تغییر قابل توجهی ندارد. بادکنکی که در فریزر قرار دارد دچار انقباض می‌‌شود چرا که با کاهش دما، متوسط انرژی جنبشی مولکول‌‌های گاز داخل بادکنک کم می‌‌شود. در نتیجه مولکول‌‌های گاز با سرعت کمتری داخل بادکنک حرکت می‌‌کنند و برخورد میان آنها ضعیف‌‌تر و تعدادشان کمتر می‌‌شود. به همین دلیل ابعاد بادکنک کمی کاهش می‌‌یابد. اما اگر همین بادکنک را مجدداً در هوای اتاق بگذارید، ابعاد آن برابر با ابعاد بادکنکی می‌‌شود که در دمای اتاق نگه داشته‌‌اید. دلیل آن است که متوسط انرژی جنبشی در اثر افزایش دما زیاد می‌‌شود و مولکول‌‌ها با سرعت بیشتری حرکت می‌‌کنند و برخورد بیشتری با دیواره‌‌ی داخلی بادکنک خواهند داشت.

منبع:

How Gases Contract and Expand

منابع مفيد:

Looking for a Gas

حالات ماده

بخش فيزيک فعاليت‌هاي علمي رشد

حالات ماده از جامد تا پلاسما

آزمايش نمايشي از رفتار گازها

بخش شيمي فعاليت‌هاي علمي رشد