熱力学
断熱膨張
熱交換なしで膨張：気体は冷えます。
断熱膨張 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。熱交換なしで膨張：気体は冷えます。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
断熱膨張
熱交換のない膨張：気体は冷却します。
断熱過程では Q = 0 であり、膨張の仕事が気体から内部エネルギーを奪います。分子は減速し温度が下がり、圧力を維持する熱が入らないため P-V の経路は等温線より急になります。
- Q = 0
- TV^(γ−1) = 一定
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
気体が周囲と熱をやり取りする時間がないまま急速に膨張する（断熱）。熱が出入りしなくても、気体の温度は変化するか？
検討する予測
- 気体は冷える — 自身の内部エネルギーを使って周囲に仕事をする。
- 熱のやり取りがないので、温度は変わらない。
- 気体は膨張すると温まる。
可変的な役割
設定するもの：
- 最終体積 V₂ (L)
測定するもの：
- 気体がした仕事 W_gas (J)
- 最終温度 T₂ (K)
実験の進め方
- 「断熱膨張（adiabatic-expansion）」プリセットを開き、リセットを押しなさい。二原子分子の窒素1 mol（f = 5）が24.9 L、300 Kの状態から始まる。
- 容器の最終温度表示を有効にする。
- 各試行の目標（最終）体積を設定し、最終温度と行われた仕事を記録する。
支配方程式
断熱過程 — ΔU = Q − W
熱交換がない（Q = 0）とき、第一法則は ΔU = −W_gas となる。膨張する気体は自身の内部エネルギーを使ってのみ仕事ができるため、冷えなければならない。圧力と体積は P·V^γ = 定数 に従う。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、γ = (f+2)/f = 1.4、T₁ = 300 K、V₁ = 24.9 L を用いて T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) を計算する。次に W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁) を計算する。両方を表と比較する。
- すべての試行で Q = 0 なので、第一法則から正確に ΔU = −W_gas が得られる。熱を取り込めない膨張気体が正の仕事をすると冷えなければならない理由を、エネルギー保存の観点で説明する。
実験以外での活用
- エアゾールスプレー缶は、気体が急速に流出・膨張すると冷たく感じる。周囲との熱交換には速すぎるためである。これが断熱冷却の現実の（完全ではない）例である理由を説明する。
- ここでの最終温度を、isothermal-compression（等温圧縮）の逆過程（等温膨張）が同じ体積変化に対して示す結果と比較しなさい：等温過程ではTが一定に保たれるが、この断熱過程ではそうならない。熱交換がないという仮定を外すと、なぜ結果が変わるのか説明しなさい。
- 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
- 断熱膨張へようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 熱流のない膨張
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。