Номер 1, страница 121, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Задания для проектно-исследовательской деятельности - номер 1, страница 121.

Условие.

1. «Термометр наоборот»

Цель: изготовить действующую модель жидкостного термометра, в котором уровень жидкости при нагревании не повышается, а понижается.

Вы уже знаете, что широко распространенные жидкостные термометры «показывают температуру» благодаря тому, что объем жидкости, используемой в них, при расширении увеличивается быстрее, чем объем стекла, из которого сделаны баллон термометра и капилляр, по которому поднимается или опускается жидкость.

А можно ли подобрать такой материал для колбы и капилляра, объем которого при нагревании увеличивается быстрее, чем объем жидкости внутри колбы и капилляра? Если бы нам это удалось, то в таком термометре уровень жидкости при нагревании понижался бы!

Оказывается, это возможно: например, полиэтилен при нагревании расширяется быстрее, чем вода. Используя эти вещества, сделаем «термометр наоборот» (рис. 1).

Рис. 1

Колба и капилляр термометра изготовлены из полиэтиленовой трубки от использованной гелевой ручки. Сначала, вращая трубку над пламенем свечи, равномерно прогрейте ее. Когда она размягчится, вытяните часть трубки, сделав ее более тонкой. Для заполнения трубки возьмите чистую профильтрованную воду, прокипятив ее предварительно 15–20 минут (не используйте для этого электрический чайник!) и дав ей остыть до комнатной температуры. Более или менее длительное кипячение необходимо для того, чтобы в воде практически не осталось микроскопических пузырьков воздуха: дело в том, что воздух при нагревании расширяется намного быстрее, чем вода или полиэтилен, поэтому даже мельчайшие пузырьки воздуха сделают невозможным создание «термометра наоборот».

Воду можно подкрасить, например, марганцовкой до темно-розового цвета. Раствор надо готовить из уже остывшей воды при очень медленном помешивании. В качестве пробки можно использовать гвоздь со спиленным острием.

Проверьте изготовленный вами «термометр наоборот» в действии. Чтобы его «обратное действие» было наглядным, сделайте несколько фотографий воды при разных значениях температуры, погрузив в нее обычный термометр и ваш «термометр наоборот».

Решение.

Принцип работы широко распространённых жидкостных термометров

Действие стандартных жидкостных термометров основано на явлении теплового расширения. При повышении температуры большинство веществ увеличивается в объеме. Это изменение объема $ \Delta V $ можно описать формулой: $ \Delta V = \beta \cdot V_0 \cdot \Delta T $, где $ V_0 $ — начальный объем тела, $ \Delta T $ — изменение температуры, а $ \beta $ — коэффициент объемного теплового расширения, который является характеристикой вещества.

В обычном термометре (например, спиртовом в стеклянной колбе) при нагревании расширяются и жидкость, и стекло, из которого сделаны резервуар и капилляр. Однако, коэффициент объемного расширения жидкости (для спирта $ \beta_{сп} \approx 1.1 \times 10^{-3} \text{ К}^{-1} $) намного больше, чем у стекла ($ \beta_{ст} \approx 2.7 \times 10^{-5} \text{ К}^{-1} $). Из-за этой разницы объем жидкости увеличивается значительно сильнее, чем внутренний объем стеклянного резервуара. В результате «излишек» жидкости вытесняется в тонкий капилляр, и мы наблюдаем подъем столбика жидкости.

Ответ: В обычном термометре уровень жидкости при нагревании повышается, так как используемая жидкость расширяется значительно сильнее, чем материал, из которого изготовлен корпус термометра.

Возможность создания термометра, в котором уровень жидкости понижается при нагревании

Как указано в тексте, можно создать термометр с «обратным» действием, если подобрать такие материалы, у которых корпус будет расширяться сильнее, чем находящаяся в нем жидкость. Для этого необходимо, чтобы коэффициент объемного расширения материала колбы ($ \beta_{колбы} $) был больше коэффициента объемного расширения жидкости ($ \beta_{жидкости} $).

В предложенном опыте используется колба из полиэтилена и жидкость — вода. Сравним их коэффициенты:

• Коэффициент объемного расширения воды при комнатной температуре $ \beta_{воды} \approx 2.1 \times 10^{-4} \text{ К}^{-1} $.
• Коэффициент объемного расширения полиэтилена $ \beta_{полиэтилена} \approx (3-6) \times 10^{-4} \text{ К}^{-1} $.

Поскольку $ \beta_{полиэтилена} > \beta_{воды} $, при нагревании внутренний объем полиэтиленовой трубки увеличивается быстрее, чем объем находящейся в ней воды. В результате для заполнения этого «дополнительного» пространства уровень воды в капилляре будет опускаться. Таким образом, мы получаем «термометр наоборот», у которого шкала будет направлена в противоположную сторону по сравнению с обычным термометром.

Ответ: Создание «термометра наоборот» возможно, если материал его корпуса (например, полиэтилен) имеет больший коэффициент объемного расширения, чем рабочая жидкость (например, вода). При нагревании такой корпус будет расширяться быстрее жидкости, что приведет к понижению ее уровня.

Почему для изготовления «термометра наоборот» необходимо использовать кипячёную воду?

В тексте справедливо отмечается, что для успешного создания «термометра наоборот» необходимо использовать воду, предварительно прокипяченную в течение 15–20 минут. Это делается для удаления из воды растворенных газов, в первую очередь воздуха. Причина кроется в огромной разнице коэффициентов теплового расширения.

Коэффициент объемного расширения воздуха при нормальных условиях ($ \beta_{воздуха} \approx 3.4 \times 10^{-3} \text{ К}^{-1} $) примерно в 10-15 раз больше, чем у воды и полиэтилена. Если в воде останутся даже микроскопические пузырьки воздуха, то при нагревании они будут расширяться чрезвычайно сильно. Это сильное расширение воздуха будет выталкивать столбик воды вверх по капилляру. Данный эффект окажется намного сильнее, чем «обратный» эффект от расширения полиэтиленовой трубки, и полностью его замаскирует. В результате термометр будет работать неправильно или не будет работать вовсе как «термометр наоборот».

Ответ: Кипячение воды необходимо для удаления из нее пузырьков растворенного воздуха. Воздух расширяется при нагревании гораздо сильнее, чем вода и полиэтилен, поэтому его присутствие привело бы к подъему, а не опусканию уровня жидкости, что сделало бы эксперимент невозможным.