Termodynamiikka

Adiabaattinen laajeneminen

Laajenna ilman lämmönvaihtoa: kaasu jäähtyy.

Adiabaattinen laajeneminen – interaktiivinen Termodynamiikka-simulaatio. Laajenna ilman lämmönvaihtoa: kaasu jäähtyy. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Adiabaattinen laajeneminen

Laajenna ilman lämmönvaihtoa: kaasu jäähtyy.

Adiabaattisessa prosessissa Q = 0, joten laajenemistyö tyhjentää kaasun sisäenergiaa. Molekyyli hitaantuvat, lämpötila laskee, ja P–V-polku on jyrkempi kuin isotermin, koska mikään lämpö ei pääse ylläpitämään painetta.

• Q = 0
• TV^(γ−1) = vakio

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Kaasu laajenee nopeasti, ilman aikaa vaihtaa lämpöä ympäristönsä kanssa (adiabaattinen). Muuttuuko kaasun lämpötila, vaikka lämpöä ei tule eikä lähde?

Punniteltavat ennusteet

• Kaasu jäähtyy – se tekee työtä ympäristöönsä käyttäen omaa sisäenergiaansa.
• Lämpötila pysyy samana, koska lämpöä ei vaihdeta.
• Kaasu kuumenee laajentuessaan.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Lopputilavuus V₂ (L)

Mitä mittaat:

• Kaasun tekemä työ W_gas (J)
• Loppulämpötila T₂ (K)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa adiabaattinen laajeneminen -esiasetus ja paina Nollaa. 1 mol kaksiatomiista typpeä (f = 5) alkaa arvoista 24.9 L, 300 K.
2. Ota käyttöön loppulämpötilan lukema kammiosta.
3. Aseta tavoite (loppu)tilavuus jokaiselle suoritukselle ja kirjaa loppulämpötila ja tehty työ.

Hallitseva yhtälö

Adiabaattinen prosessi — ΔU = Q − W

Ilman lämmönvaihtoa (Q = 0) ensimmäinen laki pelkistyy muotoon ΔU = −W_gas: laajeneva kaasu voi tehdä työtä vain kuluttamalla omaa sisäenergiaansa, joten sen on jäähdytettävä. Paine ja tilavuus seuraavat kaavaa P·V^γ = vakio.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) arvoilla γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Laske sitten W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Vertaa molempia taulukkoon.
• Kun Q = 0 jokaisessa suorituksessa, ensimmäinen laki antaa ΔU = −W_gas täsmälleen. Selitä energian säilymisen termeillä, miksi positiivista työtä tekevän laajenevan kaasun on jäähdytettävä, kun se ei voi imeä lämpöä.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Aerosolisuihkupullo tuntuu kylmältä, kun kaasu ryntää ulos ja laajenee nopeasti – liian nopeasti vaihtaakseen paljon lämpöä ympäristön kanssa. Selitä, miksi tämä on todellisen maailman (joskin epätäydellinen) esimerkki adiabaattisesta jäähdytyksestä.
• Vertaa loppulämpötilojasi siihen, mitä isoterminen tiivistys käänteisenä (isoterminen laajeneminen) antaisi samalle tilavuusmuutokselle: isoterminen pitää T:n vakiona, mutta tämä adiabaattinen tapaus ei. Miksi lämmönvaihto-oletuksen poistaminen muuttaa lopputulosta?

• 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

1. Tervetuloa adiabaattiseen laajenemiseen
2. Valitse kammio
3. Paina Toista
4. Laajeneminen ilman lämmönvirtausta
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Ideaalikaasulaki