Nagrzewanie izobaryczne: rozprężanie przy stałym ciśnieniu
1 · Prognoza
Gaz ogrzewany jest przy stałym ciśnieniu, więc się rozpręża (izobarycznie). Jeśli pozwolisz mu rozprężyć się do większej objętości końcowej, czy gaz wykona więcej pracy na otoczeniu?
- Większa objętość końcowa znaczy mniej pracy wykonanej przez gaz.
- Wykonana praca nie zależy od objętości końcowej.
- Większa objętość końcowa znaczy więcej pracy wykonanej przez gaz.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset nagrzewania izobarycznego i naciśnij Reset. 1 mol gazu startuje od 24.9 L, 300 K, przy stałym ciśnieniu.
- Włącz odczyt temperatury końcowej na komorze.
- Ustaw objętość docelową (końcową) dla każdej próby, i zapisz temperaturę końcową i wykonaną pracę.
3 · Zbieranie danych
| Objętość końcowa V₂ (L) | Praca gazu W_gas (J) | Temperatura końcowa T₂ (K) |
|---|---|---|
| 32.43 | ||
| 39.91 | ||
| 49.89 |
Narysuj temperaturę końcową T₂ (oś y) względem objętości końcowej V₂ (oś x) dla trzech prób. Czy prosta przechodzi przez początek układu?
4 · Analiza
- Dla jednej próby oblicz W_gas = P₁(V₂ − V₁) przy P₁ = nRT₁/V₁ = 100 kPa, a potem T₂ = T₁·V₂/V₁. Porównaj obie wartości z tabelą.
- Wyjaśnij, używając W_gas = P·ΔV, dlaczego większa zmiana objętości przy tym samym stałym ciśnieniu oznacza więcej pracy wykonanej przez gaz.
5 · Rozszerzenie
- Twoja prosta T₂ względem V₂ to prawo Charlesa: przy stałym ciśnieniu objętość i temperatura absolutna są wprost proporcjonalne. Wyjaśnij, dlaczego wynika to wprost z PV = nRT przy ustalonym P.
- Część ciepła dodanego podczas ogrzewania izobarycznego idzie w pracę (rozprężanie), część w energię wewnętrzną. Która dostaje więcej z dodanego ciepła dla gazu jednoatomowego (f = 3): składnik pracy czy składnik energii wewnętrznej?
Fizyka tego eksperymentu
Praca izobaryczna
Przy stałym ciśnieniu praca wykonana przez rozprężający się gaz to po prostu ciśnienie razy zmiana objętości: W_gas = P·ΔV — pole prostokąta pod poziomą linią na diagramie P-V.