Имеются колба, закрытая пробкой с пропущенной через неё трубкой, стакан с водой, спиртовка, штатив с лапкой, мензурка. Как с помощью данных приборов показать, что воздух при нагревании расширяется?
Что при расширении воздуха происходит с молекулами? Изменяется ли внутреннее строение вещества при нагревании?

Чтобы ответить на поставленный вопрос и сформировать теоретическую часть, нужно рассмотреть ключевые физические явления, связанные с поведением газа при нагревании.

1. Расширение воздуха при нагревании
   Воздух относится к классу газов, и его поведение хорошо описывается кинетической теорией. Основываясь на этой теории:

   • Воздух, как и любой другой газ, состоит из огромного количества молекул, которые находятся в состоянии хаотического (беспорядочного) движения.
   • При нагревании молекулы воздуха получают дополнительную энергию. Это приводит к увеличению их средней скорости.
   • В результате более быстрые молекулы начинают сталкиваться друг с другом и со стенками сосуда с большей силой и частотой. Если сосуд не замкнутый, воздушный объем увеличится, так как молекулы будут стремиться занять большее пространство.

2. Что происходит с молекулами во время нагревания?

   • Энергия молекул увеличивается. При нагревании воздух получает тепловую энергию, которая преобразуется в кинетическую энергию молекул.
   • Частота и сила столкновений возрастают. Чем выше температура, тем больше скорость молекул, тем чаще и сильнее они сталкиваются между собой и со стенками сосуда.
   • Среднее расстояние между молекулами увеличивается. Это связано с тем, что молекулы начинают двигаться быстрее и сильнее отталкиваются друг от друга, если газ не находится в замкнутом объёме.

3. Изменяется ли внутреннее строение вещества при нагревании?

   • Внутреннее строение вещества (на уровне молекул и атомов) при нагревании не изменяется. Молекулы воздуха остаются молекулами воздуха, их химическая структура остается прежней.
   • Изменяются только физические параметры: скорость движения молекул и их энергия увеличиваются. Это физическое явление, а не химическое.

4. Обоснование экспериментального метода
   В приведённой задаче используется набор приборов, который позволяет продемонстрировать расширение воздуха при нагревании.

   • Колба, закрытая пробкой с трубкой, служит для удержания воздушной массы. Через трубку воздух может выходить наружу или взаимодействовать с внешней средой.
   • Нагревание колбы с помощью спиртовки увеличивает температуру воздуха внутри неё.
   • Из−за нагревания молекулы воздуха начинают двигаться быстрее, что приводит к расширению газа.
   • Этот процесс можно наблюдать, если конец трубки опустить в стакан с водой: при расширении воздуха из трубки начнут выходить пузырьки воздуха.

5. Физические законы и явления

   • Расширение воздуха при нагревании связано с законом Шарля: при постоянном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.
   • Пример расширения газа также подтверждает утверждение кинетической теории, что скорость молекул увеличивается с ростом температуры.

Таким образом, эксперимент с использованием перечисленных приборов позволяет наглядно продемонстрировать, что воздух при нагревании расширяется за счёт увеличения кинетической энергии его молекул. Этот процесс не затрагивает химическую природу вещества.