Sprężanie izotermiczne: praca w stałej temperaturze
1 · Prognoza
Gaz sprężany jest do mniejszej objętości przy utrzymaniu stałej temperatury (izotermicznie). Czy dalsze sprężanie wymaga więcej pracy?
- Sprężanie do mniejszej objętości końcowej wymaga mniej pracy.
- Sprężanie do mniejszej objętości końcowej wymaga więcej pracy (bardziej ujemne Wgaz).
- Potrzebna praca jest taka sama niezależnie od objętości końcowej.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset sprężania izotermicznego i naciśnij Reset. 1 mol gazu startuje od 49.9 L, 300 K.
- Włącz odczyt pracy wykonanej na gazie.
- Ustaw objętość docelową (końcową) dla każdej próby i zapisz pracę wykonaną przez gaz.
3 · Zbieranie danych
| Objętość końcowa V₂ (L) | Praca gazu W_gas (J) |
|---|---|
| 24.94 | |
| 16.63 | |
| 12.47 |
Wykreśl W_gas (oś y) względem ln(V₂/V₁) (oś x) dla trzech prób, używając V₁ = 49.9 l.
4 · Analiza
- Dla jednej próby oblicz W_gas = nRT·ln(V₂/V₁), używając n = 1 mol; R = 8.314 J/(mol·K); T = 300 K. Porównaj z tabelą.
- W_gas jest ujemne w każdej próbie. Wyjaśnij, co fizycznie znaczy wartość ujemna dla sprężanego gazu i dlaczego sprężanie do mniejszego V₂ czyni W_gas bardziej ujemnym.
5 · Rozszerzenie
- Ponieważ ΔU = 0 dla każdego procesu izotermicznego (temperatura się nie zmienia), pierwsza zasada mówi i tu Q = W_gas. Czy podczas tego sprężania ciepło wpływa do gazu, czy z niego wypływa? Wyjaśnij przez swoją konwencję znaków.
- By utrzymać gaz w stałej temperaturze podczas sprężania, prawdziwe eksperymenty potrzebują zbiornika ciepła w kontakcie z cylindrem. Wyjaśnij, dlaczego sprężanie rozgrzałoby gaz, gdyby tego zbiornika nie było.
Fizyka tego eksperymentu
Pierwsza zasada termodynamiki
Zmiana energii wewnętrznej równa się doprowadzonemu ciepłu minus praca wykonana przez gaz: ΔU = Q − W. Dla procesu izotermicznego gazu doskonałego ΔU = 0, więc cała praca wykonana nad gazem wychodzi jako ciepło.