อุณหพลศาสตร์
การขยายตัวแบบอะเดียแบติก
ขยายตัวโดยไม่แลกเปลี่ยนความร้อน: แก๊สเย็นลง
การขยายตัวแบบอะเดียแบติก — การจำลองอุณหพลศาสตร์แบบโต้ตอบ ขยายตัวโดยไม่แลกเปลี่ยนความร้อน: แก๊สเย็นลง ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เสมือนบนเบราว์เซอร์ที่ใช้ฟรี พร้อมการวัด SI แบบสดและบทแนะนำ
การขยายตัวแบบอะเดียแบติก
ขยายตัวโดยไม่แลกเปลี่ยนความร้อน: แก๊สเย็นลง
ในกระบวนการอะเดียแบติก Q = 0 งานขยายตัวจึงดึงพลังงานภายในออกจากแก๊ส โมเลกุลเคลื่อนที่ช้าลง อุณหภูมิลดลง และเส้นทาง P–V จะชันกว่าเส้นไอโซเทอร์มเพราะไม่มีความร้อนเข้ามาช่วยรักษาความดัน
- Q = 0
- TV^(γ−1) = const
สรุปการสืบสวน
วางแผนคำถามก่อนเปิดห้องแล็บ
บทสรุปสะท้อนหน้าที่เรนเดอร์ล่วงหน้า คำถามขับเคลื่อน คำทำนายที่ขัดแย้งกัน บทบาทตัวแปร กฎที่ควบคุม การตั้งค่า การวิเคราะห์ และโจทย์ต่อยอดยังแสดงและเรียงตามลำดับนี้
คำถามขับเคลื่อน
แก๊สขยายตัวอย่างรวดเร็วจนไม่มีเวลาแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม (อะเดียแบติก) แม้ไม่มีความร้อนเข้าหรือออกเลย อุณหภูมิของแก๊สจะเปลี่ยนหรือไม่
คำทำนายที่ต้องชั่งใจ
- แก๊สเย็นลง — มันทำงานต่อสิ่งแวดล้อมโดยใช้พลังงานภายในของตัวเอง
- อุณหภูมิคงเดิม เพราะไม่มีความร้อนแลกเปลี่ยน
- แก๊สร้อนขึ้นเมื่อขยายตัว
บทบาทของตัวแปร
สิ่งที่คุณตั้ง:
- ปริมาตรสุดท้าย V₂ (L)
สิ่งที่คุณวัด:
- งานที่แก๊สทำ W_gas (J)
- อุณหภูมิสุดท้าย T₂ (K)
การสืบสวนดำเนินไปอย่างไร
- เปิดพรีเซ็ท adiabatic-expansion แล้วกดรีเซ็ต ไนโตรเจนอะตอมคู่ 1 mol (f = 5) เริ่มที่ 24.9 L, 300 K
- เปิดค่าแสดงอุณหภูมิสุดท้ายบนห้องปฏิบัติการจำลอง
- ตั้งปริมาตรเป้าหมาย (สุดท้าย) ของแต่ละรอบ แล้วบันทึกอุณหภูมิสุดท้ายและงานที่ทำ
สมการควบคุม
กระบวนการอะเดียแบติก — ΔU = Q − W
เมื่อไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน (Q = 0) กฎข้อที่หนึ่งเหลือเพียง ΔU = −W_gas ก๊าซที่ขยายตัวจะทำงานได้โดยใช้พลังงานภายในของตัวเองเท่านั้น จึงต้องเย็นลง ความดันกับปริมาตรเป็นไปตาม P·V^γ = ค่าคงที่
สิ่งที่ใบงานพิมพ์ได้ให้นักเรียนคิด
- สำหรับหนึ่งรอบ จงคำนวณ T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) โดยใช้ γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L แล้วหา W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁) เทียบทั้งสองค่ากับตาราง
- เมื่อ Q = 0 ทุกรอบ กฎข้อที่หนึ่งจึงให้ ΔU = −W_gas พอดี จงอธิบายในเชิงการอนุรักษ์พลังงานว่าทำไมก๊าซที่ขยายตัวและทำงานเป็นบวกจึงต้องเย็นลงเมื่อดึงความร้อนเข้าไม่ได้
สิ่งนี้ปรากฏที่ใดนอกห้องแล็บ
- กระป๋องสเปรย์รู้สึกเย็นเมื่อแก๊สพุ่งออกมาและขยายตัวอย่างรวดเร็ว — เร็วเกินกว่าจะแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้มาก อธิบายว่าเหตุใดนี่จึงเป็นตัวอย่างจริง (แม้ไม่สมบูรณ์) ของการทำให้เย็นแบบอะเดียแบติก
- เทียบอุณหภูมิสุดท้ายของคุณที่นี่กับค่าที่ตรงข้ามกับ isothermal-compression (คือการขยายตัวอุณหภูมิคงที่) ให้กับการเปลี่ยนปริมาตรเท่ากัน กรณีอุณหภูมิคงที่ T คงที่ แต่กรณีอะเดียแบติกนี้ไม่ เหตุใดการตัดสมมติฐานการแลกเปลี่ยนความร้อนจึงเปลี่ยนผลลัพธ์
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.4 Thermodynamics
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- ยินดีต้อนรับสู่การขยายตัวแบบอะเดียแบติก
- เลือกห้องแก๊ส
- กดเล่น
- การขยายตัวไร้การถ่ายเทความร้อน
- เปิดแผงคุณสมบัติ
- ทำได้แล้ว!
เปิดการจำลองแบบโต้ตอบเพื่อสร้างฉาก กดเล่น แล้วสำรวจพร้อมการวัดสดและบทแนะนำ