Как измерить массу газа?
Егор (старший)
Для обсуждения вопроса мы применили нашу стандартную методику: начали разбирать значение каждого слова в вопросе «Как измерить массу газа». Вопросительное слово «как» означает, что нам хочется узнать способ, метод или технологию чего-то.
Что значит слово «измерить»?
Второе слово вопроса — «измерить». Что значит измерить? Для примера мы обсудили измерение длины и расстояний. Измерить длину — значит сравнить её с какой-то мерой, с эталоном длины. Например, с длиной стопы действующего правителя (эта мера называется футом). Рост удава можно измерить в попугаях, мартышках или слонёнках. Ясно, что результат получится разный (38 попугаев, 5 мартышек, 2 слонёнка).
В XVII веке Гюйгенс изучал движение маятника и предложил привязать меру длины к мере времени — секунде. Например, выбрать такую длину подвеса, чтобы маятник колебался туда и обратно ровно за две секунды (получается ≈ 0,994 современного метра — почти идеальное совпадение). Другие предлагали свои собственные варианты (в Википедии вы найдете десятки разных единиц измерения длины!)
Как же люди выбрали в качестве меры длины «метр»? Ответ так же прост, как и удивителен — договорились! Согласились считать единицей длины метр, который предложила французская академия наук. Вот что написано в Википедии: «30 марта 1791 года предложение определить метр через длину меридиана было принято следующим: одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Идея привязать единицу измерения длины к меридиану Земли была не нова: аналогичным образом ранее были определены морская миля и льё. Вновь определённая единица получила наименование «метр подлинный и окончательный»». (Правда, договорились не все: некоторые не согласились использовать эту меру в повседневной жизни. В США, например, до сих пор используют футы!).
Температуру также измеряют разными градусами. В Европе мы используем градусы Цельсия (это фамилия ученого). По Цельсию вода замерзает при 0 градусов и кипит при 100 градусах. Но в США используют градусы Фаренгейта (это фамилия другого ученого). Андрей попросил участников придумать свои единицы измерения температуры. Егор младший предложил градусы Нечаева: 0 градусов — температура замерзания воды, а 100 градусов — температура Егора Нечаева. Отличный вариант в дополнение к другим известным температурным шкалам:
Что такое масса и чем она отличается от веса?
Мы вспомнили, что масса m — это мера инерции, то есть лени. Чем больше масса, тем труднее разогнать или затормозить тело. А вес P зависит от гравитации g: чем больше гравитация, тем больше вес: P = m×g. Значит на Луне, где гравитация примерно в 6 раз меньше, мой вес будет в 6 раз меньше, чем на Земле, хотя масса останется неизменной. В условиях микрогравитации, например, на международной космической станции все тела имеют практически нулевой вес.
Как же измерить массу газа?
Участники клуба сами придумали и предложили несколько способов. Для начала нужно взять какое-то количество газа, например, накачать газовый баллон определённого объёма до определённого давления, и потом все измерения делать с этим количеством газа.
Егор (старший): взвесить баллон с газом и без газа, затем вычислить разницу в весе, поделить её на гравитацию и узнать массу. При этом, правда, нужно, чтобы при выкачивании газа баллон сохранял свою форму. Или можно добавить сколько-то газа в баллон (дополонительно накачать под более высоким давлением), и по разнице в весе вычислить массу добавленного газа.
Егор (младший): сжать и охладить газ до жидкого состояния, а потом взвесить, как обычно.
Как охлаждают газы до таких низких температур?
Как получают низкие температуры?
Егор (младший)
Егор сказал: как нагревают тела, более-менее понятно. А вот как их охлаждают?
Мы вспомнили, что все вещества состоят из молекул, которые постоянно и хаотично движутся. В твердых телах колеблются, зажатые между соседями, в жидких — могут перемещаться с места на место, как люди в плотной толпе, а в газе — летают свободно, так как между соседями много пустого пространства. Температура — это мера тепла в теле, а тепло — это и есть движение молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура!
Значит, чтобы нагреть тело, нужно заставить молекулы двигаться быстрее. Мы знаем множество способов:
- потереть тела друг о друга (трение приводит к нагреву),
- постучать по гвоздю молотком (приводит к нагреву),
- сжать газ в поршне насоса (повышение давление приводит к нагреву),
- приложить холодное тело к горячему (быстрые молекулы горячего тела, ударяясь о медленные молекулы холодного тела передают им часть своей скорости — холодное тело нагревается, а горячее остывает),
- разжечь под телом огонь (в результате химической реакции горения выделяется энергия, которая ускоряет молекулы),
- пропустить через проводник электрический ток (электроны разгоняются электрическим полем и передают часть своей скорости атомам и молекулам проводника),
- положить тело под мощный источник света, например, под лучи Солнца (электромагнитные волны, то есть свет, поглощаются молекулами, при этом скорость молекул растёт — тело нагревается).
А как охладить? Нужно как-то затормозить движение молекул. Мы успели обсудить только пару способов:
- Не сжимать, а наоборот, растягивать поршень с газом (понижение давления приводит к замедлению молекул). Например, можно сжать газ в поршне, он нагреется, дать ему остыть до комнатной температуры, а потом убрать давление — газ расширится и остынет до температуры ниже комнатной! По такому принципу работают все домашние (и промышленные) холодильники, кондиционеры, тепловые насосы. В них используется ещё одно свойство вещества: когда жидкость испаряется, улетают самые быстрые (то есть самые «горячие») молекулы, а холодные остаются, значит жидкость остывает. Если поискать вещество, которое кипит при нужной нам температуре (например, один из самых распространённых фреонов — тетрафторэтан — кипит при температуре –26,5 градусов Цельсия). Его сжимают компрессором (насосом) до жидкого состояния, при этом он нагревается до горячего состояния, градусов 60–80. Чтобы охладить, его, не снимая давления, пропускают через радиатор на задней стенке холодильника. Потрогайте эту решётку рукой — она горячая. Остывший фреон выпускают через сопло в радиатор морозильной камеры, то есть снимают приложенное компрессором давление. Фреон закипает, превращается в газ и охлаждается до –26,5 градусов, заодно охлаждает и морозильную камеру. Потом, если требуется продолжать охлаждение, его снова сжимают в компрессоре, и цикл повторяется.
- Андрей рассказал ещё про один способ охлаждения. Обычно при пропускании электрического тока тело нагревается. Но оказалось, что при протекании тока через некоторые вещества возникает разница температуры (Андрей назвал это эффектом Холла. Андрей перепутал его с другим явлением. Этот эффект обнаружил другой физик по фамилии Пельтье). На этом принципе работают маленькие переносные автомобильные холодильники.
Автомобильный холодильник
Внешний вид элемента Пельтье.
При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.
На этом наше время закончилось, и мы не успели обсудить другие способы охлаждения.
Спасибо за чудесные вопросы и до следующей встречи!
Просмотров: 776
Нравится заметка?
И отправь заметку друзьям: