Адиабатное расширение: охлаждение без отдачи теплоты

1 · Прогноз

Газ расширяется быстро, без времени на теплообмен с окружением (адиабатно). Меняется ли температура газа, хотя теплота не входит и не выходит?

• Газ охлаждается — он совершает работу над окружением за счёт собственной внутренней энергии.
• Температура остаётся той же: теплота не обменивается.
• Газ нагревается при расширении.

2 · Подготовка

1. Откройте пресет adiabatic-expansion и нажмите «Сброс». 1 моль двухатомного азота (f = 5) начинает при 24.9 л и 300 K.
2. Включите показание конечной температуры на камере.
3. Задайте целевой (конечный) объём для каждой пробы и запишите конечную температуру и совершённую работу.

3 · Сбор данных

Постройте конечную температуру T₂ (ось y) против конечного объёма V₂ (ось x) для трёх проб. Линия изгибается вниз?

4 · Анализ

1. Для одной пробы вычислите T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1), используя γ = (f+2)/f = 1.4; T₁ = 300 K; V₁ = 24.9 л. Затем вычислите W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Сравните оба значения с таблицей.
2. Так как Q = 0 в каждой пробе, первое начало даёт ровно ΔU = −W_gas. Объясните с точки зрения сохранения энергии, почему расширяющийся газ, совершающий положительную работу, обязан охлаждаться, когда ему нечем компенсировать потерю тепла.

5 · Развитие

1. Аэрозольный баллончик холодеет, когда газ вырывается и резко расширяется — слишком быстро, чтобы обменяться заметной теплотой с окружением. Объясните, почему это реальный (хоть и неидеальный) пример адиабатного охлаждения.
2. Сравните ваши конечные температуры с тем, что дало бы обратное изотермического сжатия (изотермическое расширение) при том же изменении объёма: изотерма держит T постоянной, а этот адиабатный случай — нет. Почему снятие предположения о теплообмене меняет итог?

Физика этого эксперимента

← Вернуться к эксперименту