Rozprężanie adiabatyczne: chłodzenie bez oddawania ciepła

1 · Prognoza

Gaz rozpręża się szybko, bez czasu na wymianę ciepła z otoczeniem (adiabatycznie). Czy temperatura gazu się zmienia, choć żadne ciepło nie wchodzi ani nie wychodzi?

• Gaz się chłodzi — wykonuje pracę na otoczeniu kosztem własnej energii wewnętrznej.
• Temperatura pozostaje ta sama, bo nie wymienia się ciepła.
• Gaz się grzeje w rozprężaniu.

2 · Przygotowanie

1. Otwórz preset adiabatic-expansion i naciśnij Reset. 1 mol dwuatomowego azotu (f = 5) startuje przy 24.9 l i 300 K.
2. Włącz odczyt temperatury końcowej na komorze.
3. Ustaw objętość docelową (końcową) dla każdej próby, i zapisz temperaturę końcową i wykonaną pracę.

3 · Zbieranie danych

Narysuj temperaturę końcową T₂ (oś y) względem objętości końcowej V₂ (oś x) dla trzech prób. Czy linia zgina się w dół?

4 · Analiza

1. Dla jednej próby oblicz T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1), używając γ = (f+2)/f = 1.4; T₁ = 300 K; V₁ = 24.9 l. Następnie oblicz W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Porównaj obie wartości z tabelą.
2. Ponieważ Q = 0 w każdej próbie, pierwsza zasada daje dokładnie ΔU = −W_gas. Wyjaśnij w kategoriach zachowania energii, dlaczego rozprężający się gaz wykonujący pracę dodatnią musi się ochładzać, gdy nie może pobrać ciepła.

5 · Rozszerzenie

1. Puszka aerozolu jest chłodna w dotyku, gdy gaz wybiega i szybko się rozpręża — za szybko, by wymienić dużo ciepła z otoczeniem. Wyjaśnij, dlaczego to prawdziwy (choć niedoskonały) przykład chłodzenia adiabatycznego.
2. Porównaj swoje temperatury końcowe z tym, co dałoby odwrotnieństwo sprężania izotermicznego (rozprężanie izotermiczne) dla tej samej zmiany objętości: izotermiczne utrzymuje T stałe, a ten przypadek adiabatyczny nie. Dlaczego usunięcie założenia wymiany ciepła zmienia wynik?

Fizyka tego eksperymentu

← Wróć do eksperymentu