25. Расширение воздуха при нагревании и сжатие при охлаждении

Определения и обозначения

Расширение воздуха — увеличение объёма воздуха при нагревании. Например, воздух в бутылке может раздуть надетый на горлышко шарик, если бутылку поставить в тёплую воду. Это понятие помогает объяснить, почему нагретый воздух занимает больше пространства.

Сжатие воздуха — уменьшение объёма воздуха при охлаждении. Оно противоположно расширению: если воздух нагреть, он стремится занять больший объём, а если охладить — меньший. Сравнение этих изменений помогает связать свойства воздуха с изменением температуры.

Нагревание воздуха — повышение его температуры. При нагревании частицы воздуха движутся быстрее, и воздух расширяется, если может увеличить занимаемое пространство. Это слово нужно, чтобы описать причину изменения объёма, а не только само наблюдаемое изменение.

Охлаждение воздуха — понижение его температуры. При охлаждении частицы движутся медленнее, поэтому воздух сжимается, если его объём может измениться. Так можно назвать процесс, который приводит к уменьшению объёма воздуха.

Как это устроено

Воздух состоит из очень маленьких частиц, которые постоянно движутся. Когда воздух нагревают, частицы получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Они чаще и сильнее сталкиваются друг с другом, поэтому воздух стремится занять больше места. Если рядом есть гибкая оболочка, например шарик, расширяющийся воздух может растянуть её.

При охлаждении частицы воздуха теряют часть энергии и движутся медленнее. Они уже не разлетаются так активно, как при нагревании, и воздух занимает меньший объём. Поэтому шарик, в который давит остывший воздух, может опасть. Так расширение и сжатие объясняются изменением движения частиц, а не появлением или исчезновением воздуха.

Проверить расширение можно простым опытом: на горлышко пустой бутылки надевают шарик, а затем ставят бутылку в тёплую воду. Тепло передаётся через стенки бутылки воздуху внутри неё. Частицы воздуха начинают двигаться быстрее, и воздух расширяется. Он давит на шарик изнутри, поэтому шарик надувается.

Если бутылку с шариком перенести в холодную воду, тепло от воздуха передаётся более холодной воде. Частицы внутри бутылки движутся медленнее, и воздух сжимается. Давление воздуха на шарик становится меньше, поэтому шарик опадает. Сравнение двух состояний показывает обратную связь температуры и объёма.

При расширении и сжатии важно различать количество воздуха и объём, который он занимает. В закрытой бутылке воздух не выходит наружу, поэтому его количество остаётся прежним. Если стенки сосуда гибкие, как у шарика, объём может увеличиться или уменьшиться. У жёсткой закрытой бутылки объём не меняется, поэтому при нагревании меняется давление воздуха на стенки, а не размер бутылки.

Как температура влияет на объём воздуха

Читайте таблицу слева направо: сначала найдите условие, затем проследите, как меняются температура и объём. Сравните последнюю колонку с опытом, который можно выполнить с бутылкой и шариком. Помните, что изменение объёма видно, если сосуд может менять размер или воздух может перемещаться в более свободное пространство.

Разбор задач

Задача 1. Бутылку с надетым на горлышко шариком поставили в тёплую воду. Что произойдёт с шариком и почему? Чтобы ответить, нужно проследить путь тепла от воды к бутылке и воздуху внутри неё. Затем свяжем изменение температуры воздуха с его объёмом.

1. Тёплая вода нагревает стенки бутылки, а стенки передают тепло воздуху. Значит, температура воздуха внутри повышается. Это первый шаг: определить, нагревается воздух или охлаждается.

2. При нагревании частицы движутся быстрее, и воздух стремится занять больший объём. Бутылка жёсткая, поэтому расширяющийся воздух давит на гибкий шарик. Шарик растягивается и надувается.

Ответ: шарик надуется, потому что нагретый воздух внутри бутылки расширяется и давит на него.

Задача 2. Бутылку с шариком перенесли из тёплой воды в холодную. Как изменится шарик? Здесь нужно сравнить новое условие с предыдущим: теперь воздух не нагревают, а охлаждают. После этого можно определить, в какую сторону изменится объём воздуха и что произойдёт с шариком.

1. Холодная вода отнимает тепло у бутылки и воздуха внутри неё. Температура воздуха понижается. Значит, частицы начинают двигаться медленнее.

2. При охлаждении воздух сжимается и давит на шарик слабее. Шарик не получает прежнего растягивающего давления и опадает. Это обратное изменение по сравнению с тёплой водой.

Ответ: шарик опадёт, потому что охлаждённый воздух сжимается и занимает меньший объём.

Задача 3. В закрытом сосуде воздух нагрели, а затем охладили. Когда воздух занимал больший объём? В условии важно заметить, что количество воздуха остаётся постоянным, поскольку сосуд закрыт. Чтобы сравнить объём, применим правило о влиянии температуры на воздух.

1. Сначала определим, какое состояние было теплее: нагретый воздух имеет более высокую температуру, чем охлаждённый. Частицы нагретого воздуха движутся быстрее. Поэтому при возможности расшириться он занимает больше места.

2. Сравним два состояния: нагревание увеличивает объём воздуха, а охлаждение его уменьшает. Если сосуд жёсткий и закрытый, его внутренний объём остаётся прежним, поэтому вместо изменения объёма меняется давление воздуха. Если сосуд позволяет воздуху расширяться, больший объём будет у нагретого воздуха.

Ответ: при возможности расшириться воздух занимает больший объём после нагревания. В жёстком закрытом сосуде объём не меняется, хотя количество воздуха остаётся тем же.

Типичные ошибки

Некоторые думают, что при нагревании воздух становится тяжелее. Так можно ошибиться, потому что шарик увеличивается и кажется, будто в нём появилось больше воздуха. В закрытом сосуде количество воздуха не меняется, если он не выходит наружу; проверить себя можно вопросом: открывался ли сосуд?

Другая ошибка — перепутать расширение и сжатие. Иногда запоминают только, что воздух меняется, но забывают направление. Проверь себя простым правилом: нагревание увеличивает объём, а охлаждение уменьшает его.

Можно решить, что шарик надувается сам по себе. На самом деле его раздувает воздух внутри бутылки, который при нагревании расширяется и давит на гибкую оболочку. Чтобы проверить объяснение, проследи, что сначала нагревается: воздух в бутылке, а уже затем меняется шарик.

Ещё одна ошибка — считать, что воздух расширяется только внутри шарика. Шарик лишь помогает увидеть изменение, потому что его стенки гибкие. Воздух обладает этим свойством и в других условиях; проверь себя, отделив свойство воздуха от предмета, на котором его наблюдают.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что воздух — газ и что его температуру можно повышать или понижать. Эти знания помогают объяснить, почему при нагревании меняется движение частиц и объём воздуха. Позже это пригодится при изучении движения воздуха и образования ветра: тёплый и холодный воздух ведут себя по-разному. Свойства нагретого воздуха также помогают понять работу отопительных приборов.

Что запомнить

• Воздух при нагревании расширяется.
• При расширении воздух занимает больший объём.
• Воздух при охлаждении сжимается.
• При сжатии воздух занимает меньший объём.
• В закрытом сосуде количество воздуха остаётся тем же, если воздух не выходит наружу.
• Изменение объёма воздуха можно наблюдать с помощью бутылки и шарика.