Нас окружает большое количество явлений, к которым мы давно привыкли. Причём настолько, что нередко не задаёмся вопросами, почему так, а не иначе, или что это означает. Например, всё знают, что тёплый воздух легче холодного и от этого поднимается вверх. Но что означает “легче”?
То есть простой вроде бы вопрос на самом деле таковым не является. И даже вызывает горячие споры.
Дело в объёме, а не в массе
На самом деле, конечно, говорить о том, что горячий воздух “легче” холодного, несколько некорректно. Дело в том, что по мере повышения температуры газа скорость молекул нарастает. Следовательно, расстояние между ними будет тоже увеличиваться. А это означает, что горячий воздух станет занимать больше пространства.
Таким образом, один и тот же объём газа в нагретом состоянии станет меньше давить на квадратный сантиметр или любую другую единицу поверхности. Этим и объясняется его “лёгкость”. Но за счёт чего такое стало возможным?
От температуры зависит плотность газа. Наверх постоянно будет стремиться тот, у которого плотность меньше. Или, если перефразировать, у кого при равной массе больше объём. Это касается всех тел и распространяется и на газы тоже.
Молярно-кинетическая теория газов
Вопрос с лёгким горячим воздухом хорошо объясняется этой теорией. Среднюю кинетическую энергию молекул определяет температура. Зависимость простая: чем выше температура, тем выше кинетическая энергия молекул газа. А это означает, что молекулы начинают двигаться быстрее. И в результате данного процесса расстояние между ними возрастает. За счёт этого плотность газа и уменьшается, поскольку увеличивается объём.
Однако земная гравитация мешает молекулам газа в процессе разогрева отправляться в путешествие в космос. То есть на воздух действует несколько сил. И в то время как одни “выталкивают” его при нагревании на поверхность, другие притягивают вниз.
Так ли всё очевидно?
Кажется, что для понимания процессов, которые происходят с тёплым и холодным воздухом, достаточно школьного курса знаний. Однако если начать разбираться в происходящем глубже, то возникает немало интересных вопросов. Например, выше говорилось о кинетической энергии у молекул. Но откуда она у них вообще берётся?
Движение молекул связано с энергией импульса, которая заставляет их стремиться за снарядами. Например, если посмотреть на пар, то на него воздействует краснофотонное излучение. Оно импульсами и задаёт движение. В итоге разреженный газ начинает стремиться в область, где давление не такое высокое, как внизу, а плотность меньше. И это движение будет сохраняться до тех пор, пока поток воздуха не встретит преграду или пока он не остынет.
Почему тёплый воздух движется наверх?
Воздух нагревается, расширяется, после чего устремляется наверх. В физике это носит название конвективных перемещений. В реальной жизни на движение воздушных масс влияет не один фактор, а целый ряд. В частности, это разница температур, показателей давления и гравитационная сила.
Допустим, если вы откроете форточку зимой, то оттуда к нам начнёт попадать холодный воздух. Его температура заметно ниже температуры тех масс, которые находятся в помещении. Так что зимой разницу между потоками воздуха можно даже наблюдать: холодный воздух буквально стелется по полу.
Молекулы воздуха обладают излучением. Оно возрастает по мере увеличения температур. В процессе активности молекулы как бы отстреливают импульсы, причём благоприятные условия для такой активности создаются в области сниженного давления. То есть наверху.
В итоге тёплые молекулы воздуха движутся наверх. А их место занимают более холодные. То есть благодаря гравитации холодный воздух будет опускаться вниз. Именно так и работает конвекция.
Зачем эти знания нужны на практике?
Понимание конвекции позволяет создавать системы отопления. Разобраться с микроклиматом в доме без подобных знаний в противном случае бы не получилось. Главное – вспомнить физику.
Помню, как в 7 классе изучала это в школе на уроках физики. Тогда я любила эту науку и даже почти всё понимала. Правда, дальше всё пошло-поехало в дальние дали, но речь сейчас не об этом. А о том, что я могу поделиться некоторыми знаниями о «поведении» воздуха при нагревании и охлаждении.
Как «ведёт себя» нагретый воздух
Первым делом стоит вспомнить, что воздух — газообразное вещество. Соответственно, он имеет общие свойства веществ этого агрегатного состояния. То бишь, увеличивается в объёме и занимает всё большее пространство, когда нагревается. За счёт того, что прежнее количество вещества занимает больший объём, его относительная масса уменьшается, соответственно, тёплый воздух поднимается выше, чем холодный. Именно поэтому так сложно обогреть квартиру в холода — всё тепло отправляется наверх, к потолку. Я не буду повторяться и снова рассказывать о движении молекул в газах, ведь о воздухе можно рассказать ещё много интересного.
Интересные свойства воздуха
Для меня самое интересное свойство — это возможность превращения воздуха в жидкость. В природе это невозможно, ведь температура –150 градусов не встречается нигде, к счастью. Но создать такие условия в лаборатории и прибавить к ним давление, которое больше атмосферного в 50–60 раз, не проблема. Но вскипятить воздух не получится, ведь он состоит из нескольких газов, у которых разная температура кипения:
Поэтому, если попытаться довести воздух до кипения, он разложится на отдельные газообразные вещества, которые начнут закипать при абсолютно разной температуре, характерной для них. Да и создать необходимые условия стоит немалых усилий даже в лаборатории с самым современным техническим обеспечением.
Цель опыта: Подвести детей к пониманию и значению воздуха Воздух нам необходим, чтобы дышать. Мы вдыхаем и выдыхаем воздух.
Ход: Берем стакан с водой, вставив соломинку и выдыхаем воздух. В стакане появляются пузырьки.
Опыт № 2
Цель опыта: Подвести детей к пониманию и значению воздуха
Ход: Сделайте маленький парашют. Покажите, что, когда парашют опускается, воздух под ним распирает купол, поддерживав! его, поэтому снижение происходит плавно.
Опыт № 3
Цель опыта: Подвести детей к пониманию характеристик воздуха. Воздух невидим, не имеет определенной формы, распространяется во всех направлениях, не имеет собственного запаха.
Ход:Возьмите ароматизированные салфетки, корки апельсинов и т. д. и предложите детям последовательно почувствовать запахи, распространяющиеся в помещении.
Опыт № 4
Цель опыта: Подвести детей к пониманию веса воздухА. Воздух имеет вес.Ход:Положите на чаши весов надутый и не надутый шарики: чаша с надутым шариком перевесит
Опыт № 5
Ход:Поставьте открытую пластмассовую бутылку в холодильник. Когда она достаточно охладится, наденьте на ее горлышко не надутый шарик. Затем, поставьте бутылку в миску с горячей водой. Понаблюдайте за тем, как шарик сам станет надуваться. Это происходит потому, что воздух при нагревании расширяется. Теперь опять поставьте бутылку в холодильник. Шарик при этом спустится так как воздух при охлаждении сжимается.
Опыт №6
Цель опыта: Помочь выявить свойство воздуха (упругость, понять, как может использоваться сила воздуха(движение).
Ход:Воспитатель предлагает детям провести опыт с воздушным шариком: посмотреть, как он будет лететь,если развязать нитку, которая удерживает в нем воздух. Дети с помощью воспитателя надувают воздушный шар, отпускают его и обращают внимание на траекторию и длительность его полета. Выясняют, что для того, чтобы шарик дольше летел, надо его больше надуть.
Опыт №7
Цель: Учить отражать имеющиеся представления в преобразующей деятельности. Каким образом можно играть с ветром.
Ход: Берут квадратный лист бумаги и надрезают его по заранее нанесенным линиям. Отгибают уголки к центру, где крепят их к палочке с помощью булавки, предварительно разместив между вертушкой и палочкой небольшую бусинку. Для того чтобы вертушка выполнила свою функцию в безветренную погоду, необходимо бегать, взяв палочку в руки. Вертушка вертится только при наличии ветра.
Опыт №8
Цель: Помочь выявить, что теплый воздух легче холодного и поднимается вверх.
Ход:Воспитатель предлагает детям сравнить температуру воздуха в комнате и около теплых предметов. Определить,где теплее: на полу или на диване? Воспитатель держит термометр на полу, а затем на диване. Дети убеждаются, что чем выше, тем теплее. Далее воспитатель предлагает подойти к батарее. Протяните руку выше батареи, ниже батареи. Где теплее (Теплее выше батареи.)
Затем воспитатель предлагает подойти к чайнику с горячей водой. Поднять руку и подержать ее над водой. Дети убеждаются, что водяной пар- горячий. Теплый воздух легче холодного. Теплый воздух поднимается вверх, поэтому сверху теплее.
«Мы исследователи» конспект занятия в подготовительной группе Занятие-эксперимент «Мы исследователи»Цель:Познакомить детей со свойствами воздуха и способами его обнаружения. Продолжить знакомить с.
«Свойства воздуха». Занятие по экспериментированию в старшей группе Знакомство со свойствами воздуха. (Игры эксперименты) Цель: Познакомить детей с понятием «воздух»,его свойствами. Задачи: Объяснить детям.
Ольга Рогачева