Με το μικρόκοσμο εξηγώ... Την εξάτμιση, το βρασμό, την υγροποίηση
ΒΡΑΣΜΟΣ
Βρασμός νερού και οινοπνεύματος. Παρατήρησε σε ποια θερμοκρασία βράζει το καθένα. (σημείο βρασμού). (Flash)
Εφαρμογή του βρασμού στην αφαλάτωση του νερού
Εάν βράσουμε αλατισμένο νερό (όπως είναι το θαλασσινό), εξατμίζεται το νερό αλλά όχι και το αλάτι, το οποίο μένει στον πυθμένα (στον πάτο) του δοχείου. Με κάποιο κλειστό σύστημα σωλήνων (δηλαδή σωλήνες κλειστοί από παντού, έτσι ώστε οι υδρατμοί να μην μπορούν να διαφύγουν από πουθενά) οδηγούμε τους υδρατμούς σε κάποιο άλλο δοχείο που το βαστάμε σε χαμηλή θερμοκρασία. Λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας οι υδρατμοί υγροποιούνται ξανά και μας δίνουν καθαρό (και ανάλατο) νερό!
Δείτε το στην παρακάτω προσομοίωση (Flash)
Βρασμός μη καθαρού νερού (με προσθήκη αλατιού). Παρατήρησε τη θερμοκρασία βρασμού. (Flash)
Βρασμός σε υψόμετρο. Παρατήρησε σε ποια θερμοκρασία βράζει το νερό σε μεγάλο υψόμετρο. (Flash)
Βρασμός αλατόνερου σε υψόμετρο. Παρατήρησε σε ποια θερμοκρασία βράζει το αλατόνερο σε μεγάλο υψόμετρο.(Flash)
Πάτησε στο «Water» (νερό) και έπειτα στο «View temp in celsius» (θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου). Αύξησε ή μείωσε τη θερμοκρασία «TEMPERATURE» ή την πίεση «PRESSURE» - στην επιφάνεια της θάλασσας η πίεση είναι 1 ατμόσφαιρα , ενώ όσο ανεβαίνουμε μειώνεται - και δες τις αλλαγές που συμβαίνουν στο νερό.
Κράτα σταθερή τη θερμοκρασία και άλλαξε μόνο την πίεση για να δεις πως η αλλαγή της πίεσης επηρεάζει την κατάσταση του νερού.
Στον βρασμό έχουμε τη δημιουργία φυσσαλίδων σ' όλη τη μάζα του υγρού, ενώ στην εξάτμιση έχουμε διαφυγή αερίων μόνο από την ελεύθερη επιφάνειά του.
Στον βρασμό το υγρό πρέπει να θερμανθεί και να φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, ενώ η εξάτμιση γίνεται ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία του.
Παρατηρώντας τις θερμοκρασίες βρασμού μπορείς να καταλάβεις γιατί κάποιες ουσίες βρίσκονται στη φύση πάντοτε σε αέρια μορφή, ενώ κάποιες άλλες είναι πολύ δύσκολο να τις μετατρέψουμε σε αέριο.
Το φαινόμενο της διαστολής και της συστολής κάνει την εργασία των μηχανικών κατά τη σχεδίαση των κατασκευών πολύ δύσκολη.
Οι μηχανικοί πρέπει να φροντίσουν, ώστε οι κατασκευές τους να αντέχουν την αλλαγή του σχήματος, όταν αλλάζει η θερμοκρασία στο περιβάλλον.
Στις γέφυρες αφήνονται κενά, ώστε με τη συστολή και διαστολή των υλικών κατασκευής τους, να μην καταστρέφονται.
ΦΕ6: Θερμαίνοντας και ψύχοντας τα στερεά
Τα στερεά σώματα όταν θερμαίνονται, δηλαδή όταν παίρνουν ενέργεια, μεγαλώνουν σε όλες τους τις διαστάσεις .
Τότε λέμε ότι διαστέλλονται.
Την αύξηση του όγκου ενός σώματος όταν θερμαίνεται (όταν παίρνει ενέργεια) την ονομάζουμε διαστολή,
Θέρμανε τη ράμπα ωστε να περάσεις το αυτοκίνητο στην απεναντι πλευρά
Οπτικοποίηση του φαινομένου της διαστολής και της εξάρτησής του από τη θερμοκρασία. Οι μαθητές μπορούν να δουν πώς μια σειρά από εναέρια σύρματα τηλεφωνικού δικτύου διαστέλλονται το καλοκαίρι και συστέλλονται το χειμώνα.
Η σφαίρα θερμαίνεται και διαστέλλεται και δεν χωράει πλέον στο δαχτυλίδι.
Τα σύρματα της ΔΕΗ είναι περισσότερο τεντωμένα τον χειμώνα, γιατί το χειμώνα επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες και τα σύρματα συστέλλονται.
Αντίθετα , όταν τα στερεά σώματα ψύχονται, δηλαδή όταν χάνουν ενέργεια, μικραίνουν σε όλες τους τις διαστάσεις .
Τότε λέμε ότι συστέλλονται.
Την μείωσση του όγκου ενός σώματος όταν ψύχεται (όταν χάνει ενέργεια) την ονομάζουμε συστολή,
Τα σύρματα μεγαλώνουν σε μήκος και δεν είναι τεντωμένα (διαστολή)
Τα σύρματα μικραίνουν σε μήκος και είναι τεντωμένα (συστολή)
Οι δυνάμεις διαστολής μπορούν να προκαλέσουν παραμόρφωση στις σιδηροτροχιές κατά τους ζεστούς καλοκαιρινούς μήνες.
Πριν πολλά χρόνια αυτό αντιμετωπίστηκε με την ύπαρξη διάκενων μεταξύ των σιδηροτροχιών. Αυτά τα διάκενα προκαλούσαν ταλαντώσεις του τρένου που είχε σαν αποτέλεσμα οι επιβάτες να ζαλίζονται στο ταξίδι.
Σήμερα στα διάκενα τοποθετούν κατάλληλο υλικό ώστε να διαστέλλεται ελάχιστα.Τέτοια διάκενα χρησιμοποιούνται και στις γέφυρες.
Στις μεταλλικές γέφυρες υπάρχουν οι οδοντωτοί σύνδεσμοι διαστολής,για να αποφύγει η γέφυρα τη ζημιά από τις δυνάμεις διαστολής
Οι μεταβολές στις διαστάσεις μερικές φορές είναι εντυπωσιακές. Ο πύργος του Άιφελ, για παράδειγμα, μπορεί να... ψηλώσει κατά 15 εκατοστά μια πολύ ζεστή μέρα, ενώ ένα αεροπλάνο μπορεί να αλλάξει διαστάσεις κατά τη διάρκεια της πτήσης! Το μήκος της εντυπωσιακής κρεμαστής γέφυρας που ενώνει το Ρίο με το Αντίρριο είναι 2250 μέτρα στους 25 οC. Η θερμοκρασία της γέφυρας μπορεί να κυμαίνεται από –5 έως +40 οC κατά τη διάρκεια ενός έτους. Η γέφυρα μπορεί να διασταλεί συνολικά κατά 130 εκατοστά!
Η γέφυρα του Ρίο μπορεί να διασταλεί συνολικά κατά 130 εκατοστά!
Κάνε κλίκ στη φράση "Heat it up" και παρατήρησε τη διαστολή 1
Κάνε κλίκ στη φράση "Heat it up" και παρατήρησε τη διαστολή 2
Πάνω από τους 4ο C το νερό συμπεριφέρεται όπως όλα τα υγρά, δηλαδή όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται και ο όγκος του (διαστέλλεται)
Κάτω όμως από τους 4ο C η συστολή είναι ανώμαλη. Όταν ψύχεται, ο όγκος του μεγαλώνει και η πυκνότητά του ελαττώνεται. Δηλαδή αντί να συστέλλεται, διαστέλλεται. Αυτό έχει μεγάλη σημασία στη ζωή και ιδίως των οργανισμών που ζουν μέσα στις λίμνες και στις θάλασσες. Έτσι όταν η θερμοκρασία πέφτει κάτω από 0ο C το νερό παγώνει. Όμως μόνο της επιφάνειας και αυτό γιατί ο πάγος έχει μικρότερη πυκνότητα από το υγρό νερό επιπλέει και εμποδίζει τα στρώματα του νερού που βρίσκονται κάτω από αυτόν, να παγώσουν και αυτά. Έτσι οι υδρόβιοι οργανισμοί διατηρούνται στη ζωή.
Σκέψου τι θα συνέβαινε αν ο πάγος βυθιζόταν.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα που συμβαίνει στο σπίτι μας είναι όταν οι γονείς μας ετοιμάζουν τον γνωστό ελληνικό καφέ. Όταν θερμανθεί αρκετά ο καφές αρχίζει να φουσκώνει, αν όμως τον πάρουμε από το μάτι της κουζίνας ή το γκαζάκι, όπου τον ετοιμάζαμε, παρατηρούμε ότι ηστάθμη του κατεβαίνει.
Άρα και στα υγρά ισχύει το φαινόμενο της διαστολής και της συστολής.
Η ιδιότητα αυτή της διαστολής και συστολής των υγρών χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή θερμομέτρων.
Κάθε υγρό υλικό σώμα διαστέλλεται με διαφορετικό τρόπο και σε άλλο βαθμό. Έτσι βλέπουμε το λάδι διαστέλλεται λίγο περισσότερο από το νερό , λιγότερο όμως από το οινόπνευμα.
ΘΕΡΜΑΙΝΟΝΤΑΣ ΚΑΙ ΨΥΧΟΝΤΑΣ ΤΑ ΥΓΡΑ
Διαστολή - συστολή των υγρών, πείραμα
ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΥΓΡΩΝ
Συστολή-Διαστολή Υγρών και Αερίων
Οπτικοποίηση της συστολής και διαστολής δυο υγρών που βρίσκονται σε διαφορετικά δοχεία.
Όταν το νερό γίνει πάγος,τα µόριά του σχηµατίζουν εξαγωνικούς κρυστάλλους. Έτσι στο κρύσταλλο δημιουργούνται πολλά κενά. Για αυτό λοιπόν όταν παγώσει μία ποσότητα νερού, καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο
Σχέση της διαστολής και συστολής με την πυκνότητα των υγρών
Έχουμε μάθει ότι η διαστολή των υγρών οφείλεται στην αύξηση της ταχύτητας της κίνησης των μορίων.
Καθώς λοιπόν στη διαστολή τα μόρια των υγρών απομακρύνονται το ένα από το άλλο, τότε και η πυκνότητα του υγρού μειώνεται.
Αντίθετα, στη συστολή η ταχύτητα των μορίων ελαττώνεται και αυτά έρχονται πιο κοντά το ένα στο άλλο, άρα η πυκνότητά τους αυξάνεται.
Το μπουκάλι με το καλαμάκι μοιάζει με ένα θερμόμετρο.
Και στα θερμόμετρα υδραργύρου ή οινοπνεύματος η στάθμη του υγρού ανεβαίνει, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται και κατεβαίνει, όταν η θερμοκρασία μειώνεται.
Σύστηματα αυτόματης πυρόσβεσης.
Στην εικόνα βλέπουμε ένα στόμιο από ένα σύστημα αυτόματης πυρόσβεσης.
Σε διάφορα σημεία πολλών κτηρίων τα στόμια αυτά τοποθετούνται στην άκρη σωλήνων, που τροφοδοτούνται με νερό ή πυροσβεστικό υγρό. Η κόκκινη αμπούλα, που είναι κατασκευασμένη από λεπτό γυαλί και περιέχει ένα υγρό, φράζει την παροχή του νερού. Αν ξεσπάσει πυρκαγιά στο κτήριο, η θερμοκρασία ανεβαίνει πολύ. Τότε η αμπούλα σπάει και το νερό ή το πυροσβεστικό υγρό σβήνει τη φωτιά.
Δε γεμίζουμε τα βυτία μέχρι πάνω, γιατί τα υγρά που μεταφέρουν διαστέλλονται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Πρέπει λοιπόν να υπάρχει άδειος χώρος στο βυτίο για να μην προκληθούν ζημιές.
Όπως τα στερεά και υγρά έτσι διαστέλλονται και συστέλλονται και τα αέρια. Μόνο που τα αέρια διαστέλλονται και συστέλλονται πολύ περισσότερο από τα υγρά και τα στερεά όταν απορροφούν θερμότητα (τα υγρά περισσότερο από τα στερεά, είπαμε)
Όσο περισσότερο αυξάνεται η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαστολή του όγκου του αερίου.
Αυτό συμβαίνει γιατί τα μόρια ενός αερίου μπορεί να κινούνται πολύ πιο άτακτα όταν η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται και έτσι προσπαθούν να αποκτήσουν περισσότερο χώρο (όγκο) για την κίνησή τους.
Στο στόμιο ενός γυάλινου μπουκαλιού τοποθετούμε ένα μπαλόνι.
Αν τοποθετήσω το γυάλινο μπουκάλι σε ζεστό νερό , θα δω ότι το μπαλόνι αρχίζει να φουσκώνει.
Αυτό συμβαίνει γιατί ο αέρας μέσα στο μπαλόνι θερμαίνεται και διαστέλλεται.
Αν μετά βάλω το μπουκάλι σε κρύο νερό, το μπαλόνι ξεφουσκώνει.
Εφαρμογή της διαστολής των αερίων είναι και το αερόστατο!
Ο θερμός αέρας μέσα στο μπαλόνι του αερόστατου διαστέλλεται, η πυκνότητά του ελαττώνεται και έτσι γίνεται ελαφρύτερος από τον αέρα της ατμόσφαιρας με αποτέλεσμα το αερόστατο να ανυψώνεται!
Η διαστολή των αερίων είναι πολύ σημαντική στη μετεωρολογία. Η διαστολή των αερίων προκαλεί τον άνεμο, δηλαδή τα ρεύματα που δημιουργούνται μέσα στην ατμόσφαιρα, ο οποίος επηρεάζει τον καιρό και το κλίμα μιας περιοχής.
Για να επισκευάσω το μπαλάκι του πινγκ – πονγκ θα το βάλω σ’ ένα δοχείο με πολύ ζεστό νερό.
Έτσι, ο αέρας θα διασταλεί και το μπαλάκι θ’ αποκτήσει πάλι το αρχικό του σχήμα.
