گرمایش همحجم: رشد فشار در حجم ثابت
1 · پیشبینی
گازی در ظرفی صلب و دربسته گرم میشود، پس حجمش نمیتواند تغییر کند (همحجم). چون گاز نمیتواند منبسط شود، همهٔ گرمای افزوده کجا میرود؟
- همهٔ گرما به انرژی درونی میرود، چون در حجم ثابت کاری انجام نمیشود.
- بیشتر گرما کار میشود با آنکه ظرف صلب است.
- گرما میان کار و انرژی درونی نصف میشود، مثل فرایندهای دیگر.
2 · آمادهسازی
- پیشتنظیم گرمایش همحجم را باز کنید و Reset بزنید. 1 مول گاز در 0.0249 m³ دربسته، از 300 K شروع میشود.
- قرائتهای فشار و گرمای افزوده را فعال کنید.
- دمای هدف (نهایی) را برای هر آزمایش تنظیم کنید و فشار نهایی و گرمای افزوده را ثبت کنید.
3 · گردآوری داده
| دمای نهایی T₂ (K) | فشار نهایی P₂ (kPa) | گرمای افزوده Q (J) |
|---|---|---|
| 350.00 | ||
| 450.00 | ||
| 550.00 |
برای سه آزمایش، گرمای افزوده Q (محور y) را بر حسب دمای نهایی T₂ (محور x) رسم کنید.
4 · تحلیل
- برای یک آزمایش، با n = 1 mol و V = 0.0249 m³ مقدار P₂ = nRT₂/V و سپس مقدار Q = (f/2)nR(T₂ − T₁) را با f = 3 و T₁ = 300 K حساب کنید. هر دو را با جدول مقایسه کنید.
- چون گاز نمیتواند منبسط شود (W_gas = 0)، قانون اول دقیقاً Q = ΔU میدهد. توضیح دهید چرا اینجا برخلاف آزمایش گرمایش همفشار، هر ژول گرمای افزوده تماماً بهصورت انرژی درونی ظاهر میشود.
5 · گسترش
- رابطهٔ P₂ برحسب T₂ شما قانون گیلوساک است: در حجم ثابت، فشار مستقیماً متناسب با دمای مطلق است. توضیح دهید چرا این از PV = nRT وقتی V ثابت است نتیجه میشود.
- قابلمهٔ فشارِ دربسته غذا را تندتر میپزد، بخشی چون بخار محبوس نمیتواند منبسط شود و فشار (و دما) بالای 100°C میرود. با رابطهٔ این آزمایش توضیح دهید چرا ظرف صلبِ دربسته اجازه میدهد دما برای همان گرمای ورودی بالاتر از ظرف باز برود.
فیزیک پشت این آزمایش
گرمایش همحجم و انرژی درونی
در حجم ثابت گاز کاری انجام نمیدهد (W_gas = 0)، پس هر ژول گرمای افزوده مستقیماً به انرژی درونی میرود: Q = ΔU = (f/2)nRΔT.