انبساط بیدررو: خنکشدن بیازدستدادن گرما
1 · پیشبینی
گازی تند منبسط میشود، بیوقتی برای تبادل گرما با محیط (بیدررو). آیا دمای گاز با آنکه گرمایی وارد یا خارج نمیشود تغییر میکند؟
- گاز سرد میشود — با انرژی درونی خودش بر محیطش کار میکند.
- دما همان میماند، چون گرمایی مبادله نمیشود.
- گاز با انبساط گرم میشود.
2 · آمادهسازی
- پیشتنظیمی adiabatic-expansion را باز کنید و Reset را بفشارید. 1 mol نیتروژن دواتمی (f = 5) از 24.9 L و 300 K آغاز میکند.
- قرائت دمای نهایی را روی اتاقک فعال کنید.
- حجم هدف (نهایی) را برای هر آزمایش تنظیم کنید و دمای نهایی و کار انجامشده را ثبت کنید.
3 · گردآوری داده
| حجم نهایی V₂ (L) | کار انجامشده توسط گاز W_gas (J) | دمای نهایی T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
برای سه آزمایش، دمای نهایی T₂ (محور y) را بر حسب حجم نهایی V₂ (محور x) رسم کنید. آیا خط به پایین خم میشود؟
4 · تحلیل
- برای یک آزمایش، مقدار T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) را با γ = (f+2)/f = 1.4 و T₁ = 300 K و V₁ = 24.9 L حساب کنید. سپس W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁) را. هر دو را با جدول مقایسه کنید.
- با Q = 0 در همهٔ آزمایشها، قانون اول دقیقاً ΔU = −W_gas میدهد. برحسب پایستگی انرژی توضیح دهید چرا گازِ منبسطشوندهای که کار مثبت انجام میدهد وقتی نمیتواند گرما بگیرد باید سرد شود.
5 · گسترش
- قوطی اسپری هنگام بیرونریختن و انبساط تند گاز، خنک لمس میشود — بیش از آنکه تند فرصت تبادل گرما با محیط پیدا کند. توضیح دهید چرا این نمونهای واقعی (ولی ناکامل) از سرمایش بیدرروست.
- دماهای نهاییتان را اینجا با وارونهٔ آزمایش تراکم همدما (انبساط همدما) برای همان تغییر حجم مقایسه کنید: همدما T را ثابت نگه میدارد، اما این حالت بیدررو نه. چرا برداشتن فرض تبادل گرما نتیجه را عوض میکند؟
فیزیک پشت این آزمایش
فرایند بیدررو
با تبادل نشدن گرما (Q = 0)، قانون اول به ΔU = −W_gas ساده میشود: گازِ منبسطشونده تنها با خرج کردن انرژی درونی خودش میتواند کار انجام دهد، پس باید سرد شود. فشار و حجم از P·V^γ = ثابت پیروی میکنند.