Expansión adiabática: enfriamiento sin perder calor
1 · Predecir
Un gas se expande rápidamente, sin tiempo para intercambiar calor con su entorno (adiabático). ¿Cambia la temperatura del gas aunque no entre ni salga calor?
- El gas se enfría: trabaja en su entorno utilizando su propia energía interna.
- La temperatura permanece igual, ya que no se intercambia calor.
- El gas se calienta a medida que se expande.
2 · Configurar
- Abra el preajuste de expansión adiabática y presione Restablecer. 1 mol de nitrógeno diatómico (f = 5) comienza en 24.9 L, 300 K.
- Habilite la lectura de temperatura final en la cámara.
- Establezca el volumen objetivo (final) para cada prueba y registre la temperatura final y el trabajo realizado.
3 · Recopilar Datos
| Volumen final V₂ (L) | Trabajo realizado por el gas W_gas (J) | Temperatura final T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
Grafique la temperatura final T₂ (eje y) frente al volumen final V₂ (eje x) para sus tres pruebas. ¿La línea se curva hacia abajo?
4 · Analizar
- Para una prueba, calcule T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) usando γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Luego calcule W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Compare ambos con la tabla.
- Con Q = 0 en cada ensayo, la primera ley da exactamente ΔU = −W_gas. Explique, en términos de conservación de energía, por qué un gas en expansión que realiza un trabajo positivo debe enfriarse cuando no puede absorber calor.
5 · Ampliar
- Una lata de aerosol se siente fría cuando el gas sale corriendo y se expande rápidamente, demasiado rápido para intercambiar mucho calor con el entorno. Explique por qué este es un ejemplo del mundo real (aunque imperfecto) de enfriamiento adiabático.
- Compare sus temperaturas finales aquí con lo que daría la compresión isotérmica inversa (una expansión isotérmica) para el mismo cambio de volumen: la isotérmica mantiene T constante, pero este caso adiabático no. ¿Por qué eliminar el supuesto del intercambio de calor cambia el resultado?
La física detrás de este experimento
Proceso adiabático
Sin intercambio de calor (Q = 0), la primera ley se reduce a ΔU = −W_gas: un gas en expansión solo puede realizar trabajo gastando su propia energía interna, por lo que debe enfriarse. La presión y el volumen siguen P·V^γ = constante.