Страница 123 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Выдвиньте гипотезу, что произойдёт с воздушным шариком, вынесенным из комнаты на улицу зимой. Проведите эксперимент. Объясните наблюдаемое явление.

Гипотеза

Если вынести надутый воздушный шарик из тёплой комнаты на улицу зимой, его объём уменьшится, и шарик сожмётся. Это произойдёт из-за охлаждения воздуха внутри шарика.

Проведение эксперимента

1. В тёплом помещении (например, при комнатной температуре +22°C) надуть воздушный шарик до среднего размера и завязать его. Следует запомнить его первоначальный размер и упругость.
2. Вынести шарик на улицу, где температура отрицательная (например, -15°C).
3. В течение нескольких минут можно будет наблюдать, как шарик постепенно уменьшается в объёме, становится дряблым и сморщенным.
4. Занести шарик обратно в тёплое помещение.
5. Наблюдать, как шарик постепенно возвращается к своему первоначальному размеру и упругости.

Объяснение явления

Наблюдаемое явление напрямую связано с физическими свойствами газов, в частности, с зависимостью объёма газа от его температуры. Воздух внутри шарика состоит из молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении. Температура является мерой средней кинетической энергии этих молекул.
Когда шарик оказывается на морозе, воздух внутри него начинает остывать. При понижении температуры молекулы воздуха начинают двигаться медленнее. В результате они реже и с меньшей силой ударяются о внутренние стенки шарика, что приводит к уменьшению давления газа внутри.
Внешнее атмосферное давление остаётся практически неизменным и становится больше, чем давление внутри шарика. Эта разница давлений заставляет стенки шарика сжиматься, что приводит к уменьшению его объёма до тех пор, пока внутреннее давление снова не уравновесится с внешним.
Этот процесс описывается газовыми законами. Для идеального газа при постоянном давлении ($P = \text{const}$) объём ($V$) прямо пропорционален абсолютной температуре ($T$). Эта зависимость известна как закон Гей-Люссака:$ \frac{V}{T} = \text{const} \quad \text{или} \quad \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} $Здесь $V_1$ и $T_1$ — начальные объём и абсолютная температура (в кельвинах) в комнате, а $V_2$ и $T_2$ — конечные объём и температура на улице. Поскольку $T_2 < T_1$, то и $V_2 < V_1$.
При возвращении шарика в тепло происходит обратный процесс: воздух внутри нагревается, молекулы начинают двигаться быстрее, давление внутри возрастает, и шарик расширяется до первоначального объёма.
Ответ: Воздушный шарик, вынесенный из тёплой комнаты на мороз, сожмётся. Это происходит потому, что воздух внутри шарика охлаждается, его молекулы движутся медленнее, и внутреннее давление падает. Внешнее атмосферное давление сжимает шарик, уменьшая его объём.