Expansão Adiabática: Resfriamento sem Perda de Calor
1 · Prever
Um gás se expande rapidamente, sem tempo para trocar calor com o ambiente (adiabático). A temperatura do gás muda mesmo que nenhum calor entre ou saia?
- O gás esfria – ele realiza trabalho no ambiente usando sua própria energia interna.
- A temperatura permanece a mesma, pois não há troca de calor.
- O gás aquece à medida que se expande.
2 · Preparar
- Abra o preset de expansão adiabática e pressione Redefinir. 1 mol de nitrogênio diatômico (f = 5) começa em 24.9 L, 300 K.
- Habilite a leitura da temperatura final na câmara.
- Defina o volume alvo (final) para cada ensaio e registre a temperatura final e o trabalho realizado.
3 · Coletar Dados
| Volume final V₂ (L) | Trabalho realizado pelo gás W_gas (J) | Temperatura final T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
Plote a temperatura final T₂ (eixo y) em relação ao volume final V₂ (eixo x) para suas três tentativas. A linha se curva para baixo?
4 · Analisar
- Para uma tentativa, calcule T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) usando γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Em seguida, calcule W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Compare ambos com a tabela.
- Com Q = 0 em cada tentativa, a primeira lei fornece exatamente ΔU = −W_gas. Explique, em termos de conservação de energia, por que um gás em expansão que realiza trabalho positivo deve esfriar quando não consegue absorver calor.
5 · Aprofundar
- Uma lata de aerossol parece fria à medida que o gás sai e se expande rapidamente – rápido demais para trocar muito calor com o ambiente. Explique por que este é um exemplo real (embora imperfeito) de resfriamento adiabático.
- Compare suas temperaturas finais aqui com o que o reverso da compressão isotérmica (uma expansão isotérmica) daria para a mesma mudança de volume: isotérmico mantém T constante, mas este caso adiabático não. Por que a remoção da suposição de troca de calor altera o resultado?
A física por trás deste experimento
Processo Adiabático
Sem troca de calor (Q = 0), a primeira lei se reduz a ΔU = −W_gas: um gás em expansão só pode realizar trabalho gastando sua própria energia interna, por isso deve esfriar. Pressão e volume seguem P·V^γ = constante.