Прибор для демонстрации особенности теплового расширения воды

С помощью предлагаемого прибора можно показать, что вода занимает наименьший объем и имеет наибольшую плотность при температуре 4°С. Основная идея демонстрации заключается в том, что при смешении двух одинаковых масс и объемов воды при температуре t 1 = 0°С и t 2 = 8°С объем смеси будет меньше суммы объемов составных частей, так как температура смеси станет равной 4° С и плотность воды увеличится.

Прибор (рис. 28) состоит из стеклянного сосуда 1, разграниченного внутри перегородкой 2 на два одинаковых объема. Перегородка может вращаться вокруг вертикальной оси 3 при помощи ручки 4, надетой на ось.

Сверху сосуд герметически закрыт крышкой 5, в которую вставлены два термометра 6 с прозрачными шкалами для измерения температуры воды в обеих частях объема сосуда. Кроме того, в крышке есть два отверстия для заполнения водой обеих частей объема сосуда. Одно отверстие завинчивается герметически пробкой 7, другое — пробкой 5, в которую вставлена узкая стеклянная трубка 9 для наблюдения изменения объема воды в сосуде.

Для проведения демонстрации приготовляем воду в отдельных двух сосудах при температурах в одном 0°С и в другом 8°С. Отвинчиваем пробки 7 и 8, устанавливаем перегородку 2 по линии 10, берем один сосуд с водой при 0°С в одну руку и второй сосуд с водой при 8°С — в другую. Наполняем одновременно через отверстия в крышке обе части объема прибора, следя за тем, чтобы уровни в обеих частях прибора поднимались вместе, т. е. чтобы не создавалась разность уровней по обе стороны перегородки.

Это исключит возможность проникновения воды из одной части прибора в другую часть, которая наполняется водой при другой температуре. Перегородка имеет малую теплопроводность, поэтому температура через перегородку за время опыта практически не выравнивается.

Когда наполним обе части объема сосуда доверху, завинчиваем пробку 8, в которую вставлена трубка 9. После этого завинчиваем пробку 7, которая выжмет часть воды из сосуда в узкую трубку 9.

Уровень воды в трубке несколько поднимется и станет доступным для наблюдения. Термометры покажут температуру 0°С и 8°С. Поставим приготовленный таким способом прибор против проекционного аппарата и спроецируем показания термометров и уровень воды в трубке 9 на экран. Вращая перегородку 2 при помощи ручки 4, тщательно смешиваем воду в обеих частях сосуда. Температура всей воды в сосуде выровняется и станет равной 4°С. Масса воды в сосуде не изменится. Оба термометра покажут 4°С, уровень воды в трубке 9 понизится.

Понижение уровня воды произойдет только за счет изменения объема воды, так как общий объем сосуда при опыте не изменился. Считаем, что во время опыта не было притока теплоты извне в сосуд.

При таком же опыте с водой в другом интервале температур, выше 4°С, или с другими жидкостями, не имеющими особенности теплового расширения, присущей воде, понижения уровня в трубке 9 при смешивании жидкости не будет. Эффект происходит только благодаря особенности теплового расширения воды.

Прибор имеет простое устройство и не требует дефицитных материалов для изготовления: сосуд стеклянный, цилиндрический, крышка и перегородки из плексигласа, хорошо поддающегося обработке. Для прибора можно приспособить любые термометры, имеющие шкалу от 0 до 10°С. Прозрачную шкалу к термометрам легко изготовить из целлофана и поставить ее вместо обычной непрозрачной.