Thermodynamik
Adiabatische Expansion
Ohne Wärmeaustausch expandieren: Gas kühlt ab.
Adiabatische Expansion — interaktive Thermodynamik-Simulation. Ohne Wärmeaustausch expandieren: Gas kühlt ab. Kostenloses browserbasiertes virtuelles Physiklabor mit Live-SI-Messwerten und geführtem Tutorial.
Adiabatische Expansion
Expansion ohne Wärmeaustausch: das Gas kühlt ab.
Bei einem adiabatischen Prozess ist Q = 0, sodass die Ausdehnungsarbeit dem Gas innere Energie entzieht. Die Moleküle werden langsamer, die Temperatur sinkt, und der P-V-Pfad ist steiler als eine Isotherme, weil keine Wärme zufließt, um den Druck aufrechtzuerhalten.
- Q = 0
- TV^(γ−1) = const
Untersuchungsbericht
Planen Sie die Frage, bevor Sie das Labor öffnen
Das Briefing entspricht der vorgerenderten Seite: Leitfrage, konkurrierende Vorhersagen, Variablenrollen, maßgebliche Gesetze, Aufbau sowie Analyse- und Erweiterungsaufgaben bleiben sichtbar und in dieser Reihenfolge.
Fahrfrage
Ein Gas dehnt sich schnell aus und hat keine Zeit, Wärme mit seiner Umgebung auszutauschen (adiabatisch). Ändert sich die Temperatur des Gases, obwohl keine Wärme ein- oder austritt?
Vorhersagen zum Abwägen
- Das Gas kühlt ab – es wirkt mit seiner eigenen inneren Energie auf seine Umgebung ein.
- Die Temperatur bleibt gleich, da kein Wärmeaustausch stattfindet.
- Beim Ausdehnen erwärmt sich das Gas.
Variable Rollen
Was Sie eingestellt haben:
- Endvolumen V₂ (L)
Was Sie messen:
- Von Gas W_gas geleistete Arbeit (J)
- Endtemperatur T₂ (K)
Wie die Untersuchung abläuft
- Öffnen Sie das Preset „Adiabatische Expansion“ und drücken Sie Zurücksetzen. 1 mol zweiatomiger Stickstoff (f = 5) startet bei 24.9 L, 300 K.
- Aktivieren Sie die Endtemperaturanzeige an der Kammer.
- Legen Sie das Zielvolumen (Endvolumen) für jeden Versuch fest und notieren Sie die Endtemperatur und die geleistete Arbeit.
Maßgebende Gleichung
Adiabatischer Prozess — ΔU = Q − W
Ohne Wärmeaustausch (Q = 0) reduziert sich der erste Hauptsatz auf ΔU = −W_gas: Ein expandierendes Gas kann nur Arbeit verrichten, indem es seine eigene innere Energie aufwendet, also muss es abkühlen. Druck und Volumen folgen P·V^γ = konstant.
Was die Schüler auf dem druckbaren Arbeitsblatt erarbeiten müssen
- Berechnen Sie für einen Versuch T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) mit γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Berechnen Sie dann W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Vergleichen Sie beides mit der Tabelle.
- Mit Q = 0 in jedem Versuch ergibt das erste Gesetz ΔU = −W_gas genau. Erklären Sie im Hinblick auf die Energieeinsparung, warum ein expandierendes Gas, das positive Arbeit leistet, abkühlen muss, wenn es keine Wärme aufnehmen kann.
Wo dies außerhalb des Labors sichtbar wird
- Eine Aerosol-Sprühdose fühlt sich kalt an, da Gas ausströmt und sich schnell ausdehnt – zu schnell, um viel Wärme mit der Umgebung auszutauschen. Erklären Sie, warum dies ein reales (wenn auch unvollkommenes) Beispiel für adiabatische Abkühlung ist.
- Vergleichen Sie Ihre Endtemperaturen hier mit dem, was die Umkehrung der isothermen Kompression (eine isotherme Expansion) bei gleicher Volumenänderung ergeben würde: Isotherm hält T konstant, in diesem adiabatischen Fall jedoch nicht. Warum verändert sich das Ergebnis, wenn man die Annahme des Wärmeaustauschs entfernt?
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.4 Thermodynamics
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- Willkommen bei adiabatischer Expansion
- Kammer auswählen
- Abspielen drücken
- Expansion ohne Wärmefluss
- Inspektor öffnen
- Geschafft!
Öffnen Sie die interaktive Simulation, um die Szene aufzubauen, drücken Sie auf Play und erkunden Sie sie mit Live-Messungen und einem geführten Tutorial.