Kompaktowy zestaw pozwala na ilościową demonstrację prawa Boyle'a-Mariotte'a: ciśnienie powietrza sprężanego w strzykawce wzrasta, co wyraźnie można zobaczyć na manometrze, dokonując przy tym również pomiarów: objętości gazu, jego ciśnienia i temperatury.
Budowa/Opis techniczny:
Złożony zestaw o wysokości ok. 20 cm, gotowy do użytku po wyjęciu z pudełka, składa się z metalowej podstawy o wymiarach 16 cm x 11,5 cm x 3 cm, na której znajduje się strzykawka (zaznaczone objętości pod tłokiem od 20 cm3 do 65 cm3 co 1 cm3) z tłokiem umocowanym na śrubie z rączką (10 cm długości, jeden obrót śruby przy pomocy rączki daje zmianę objętości o ok. 0,8 cm3) oraz manometr (średnica 6 cm, skala od -1000 hPa do 3000 hPa co 50 hPa, ciśnienie równe atmosferycznemu daje wskazanie 0 hPa), zawór odpowietrzający oraz wyświetlacz temperatury (wysokość cyfr 1,5 cm, czujnik znajduje się przy dnie strzykawki) z włącznikiem.
Działanie:
Aby zaprezentować prawo Boyle'a-Mariotte'a otwieramy zawór odpowietrzający (ustawiamy go w pozycji czerwonej rączki równoległej do przelotu zaworu), podnosimy tłok strzykawki przy pomocy śruby na wysokość odpowiadającą np. 60 cm3. Zamykamy zawór (w dowolną stronę, byle jego rączka była prostopadła do kierunku przelotu zaworu) i rozpoczynamy sprężanie gazu (zwiększanie jego ciśnienia) przez zmniejszenie objętości, obserwując wskazanie manometru i termometru.
Przy powolnym ruchu tłoka, kiedy powietrze wewnątrz strzykawki ma czas na wymianę energii w formie ciepła z otoczeniem, mamy do czynienia z przemianą izotermiczną i jego ciśnienie bezwzględne będzie odwrotnie proporcjonalne do objętości. Możemy odczytać w trakcie doświadczenia kilka wskazań manometru dla danej pozycji tłoka i narysować wykres p(V).
Doświadczenie to wykonane przy szybkim wkręcaniu tłoka, czyli ograniczonej możliwości pozbycia się naddatku energii wewnętrznej (przemiana przestaje być izotermiczną – temperatura powietrza wewnątrz naczynia rośnie), przemiana staje się bardziej podobna do adiabatycznej (choć oczywiście taką nie jest ze względu na i tak ograniczoną szybkość sprężania). Można porównać końcowe wskazania manometru i termometru dla obu doświadczeń, wyciągając odpowiednie wnioski.
Przykładowe wykorzystanie pomocne w realizacji podstawy programowej:
IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony, punkt 5., podpunkt 2) „uczeń opisuje przemianę izotermiczną, izobaryczną i izochoryczną" oraz podpunkt 5) „uczeń stosuje pierwszą zasadę termodynamiki, odróżnia przekaz energii w formie pracy od przekazu energii w formie ciepła".
