Ekspansi Adiabatik: Mendinginkan Tanpa Kehilangan Panas
1 · Memprediksi
Suatu gas memuai dengan cepat, tidak ada waktu untuk bertukar panas dengan lingkungannya (adiabatik). Apakah suhu gas berubah meskipun tidak ada panas yang masuk atau keluar?
- Gas menjadi dingin — ia bekerja pada lingkungannya menggunakan energi internalnya sendiri.
- Suhunya tetap sama karena tidak ada panas yang berpindah.
- Gas memanas saat mengembang.
2 · Pengaturan
- Buka preset adiabatic-expansion dan tekan Reset. 1 mol nitrogen diatomik (f = 5 ) dimulai pada 24.9 L, 300 K.
- Aktifkan pembacaan suhu akhir pada ruangan.
- Tetapkan volume target (akhir) untuk setiap percobaan, dan catat suhu akhir dan usaha yang dilakukan.
3 · Kumpulkan Data
| Volume akhir V₂ (L) | Usaha yang dilakukan oleh gas W_gas (J) | Suhu akhir T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
Plot suhu akhir T₂ (sumbu y) terhadap volume akhir V₂ (sumbu x) untuk tiga percobaan Anda. Apakah garisnya melengkung ke bawah?
4 · Analisis
- Untuk satu percobaan, hitung T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) menggunakan γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Kemudian hitung W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Bandingkan keduanya dengan tabel.
- Dengan Q = 0 dalam setiap percobaan, hukum pertama menghasilkan ΔU = −W_gas dengan tepat. Jelaskan, dalam kaitannya dengan konservasi energi, mengapa gas yang mengembang dan melakukan usaha positif harus mendingin padahal gas tersebut tidak dapat menarik panas.
5 · Perluas
- Semprotan aerosol dapat terasa dingin karena gas mengalir keluar dan mengembang dengan cepat – terlalu cepat untuk menukar banyak panas dengan lingkungan sekitar. Jelaskan mengapa ini adalah contoh pendinginan adiabatik di dunia nyata (jika tidak sempurna).
- Bandingkan suhu akhir Anda di sini dengan kebalikan kompresi isotermal (ekspansi isotermal) untuk perubahan volume yang sama: isotermal menjaga T tetap konstan, tetapi kasus adiabatik ini tidak. Mengapa menghilangkan asumsi pertukaran panas mengubah hasilnya?
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Proses Adiabatik
Dengan tidak adanya pertukaran panas (Q = 0), hukum pertama tereduksi menjadi ΔU = −W_gas: gas yang memuai hanya dapat melakukan usaha dengan mengeluarkan energi internalnya sendiri, sehingga harus mendingin. Tekanan dan volume mengikuti P·V^γ = konstan.