Expansion adiabatique : refroidir sans perdre de chaleur
1 · Prédire
Un gaz se dilate rapidement, sans avoir le temps d'échanger de la chaleur avec son environnement (adiabatique). La température du gaz change-t-elle même si aucune chaleur n'entre ou ne sort ?
- Le gaz se refroidit : il agit sur son environnement en utilisant sa propre énergie interne.
- La température reste la même puisqu’aucune chaleur n’est échangée.
- Le gaz s'échauffe en se dilatant.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage « expansion adiabatique » et appuyez sur Réinitialiser. 1 mole d'azote diatomique (f = 5) commence à 24.9 L, 300 K.
- Activez la lecture de la température finale sur la chambre.
- Définissez le volume cible (final) pour chaque essai et enregistrez la température finale et le travail effectué.
3 · Collecter les Données
| Tome final V₂ (L) | Travaux effectués par gas W_gas (J) | Température finale T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
Tracez la température finale T₂ (axe y) par rapport au volume final V₂ (axe x) pour vos trois essais. La ligne s'incurve-t-elle vers le bas ?
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) en utilisant γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Calculez ensuite W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Comparez les deux au tableau.
- Avec Q = 0 dans chaque essai, la première loi donne exactement ΔU = −W_gas. Expliquez, en termes d'économie d'énergie, pourquoi un gaz en expansion qui effectue un travail positif doit se refroidir alors qu'il ne peut pas absorber de chaleur.
5 · Approfondir
- Une bombe aérosol est froide car le gaz s’échappe et se dilate rapidement – trop vite pour échanger beaucoup de chaleur avec l’environnement. Expliquez pourquoi il s'agit d'un exemple réel (bien qu'imparfait) de refroidissement adiabatique.
- Comparez ici vos températures finales à ce que l'inverse de la compression isotherme (une expansion isotherme) donnerait pour le même changement de volume : l'isotherme maintient T constant, mais ce cas adiabatique ne le fait pas. Pourquoi la suppression de l’hypothèse d’échange de chaleur change-t-elle le résultat ?
La physique derrière cette expérience
Processus adiabatique
Sans échange de chaleur (Q = 0), la première loi se réduit à ΔU = −W_gas : un gaz en expansion ne peut travailler qu'en dépensant sa propre énergie interne, il doit donc se refroidir. La pression et le volume suivent P·V^γ = constant.