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

1. Abra el preajuste de expansión adiabática y presione Restablecer. 1 mol de nitrógeno diatómico (f = 5) comienza en 24.9 L, 300 K.
2. Habilite la lectura de temperatura final en la cámara.
3. Establezca el volumen objetivo (final) para cada prueba y registre la temperatura final y el trabajo realizado.

3 · Recopilar datos

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

1. 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.
2. 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

1. 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.
2. 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

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