Термодинаміка

Адіабатичне розширення

Розширюйте без теплообміну: газ охолоджується.

Адіабатичне розширення — інтерактивне моделювання: Термодинаміка. Розширюйте без теплообміну: газ охолоджується. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Адіабатичне розширення

Розширюйте без теплообміну: газ охолоджується.

В адіабатичному процесі Q = 0, тож робота розширення висушує внутрішню енергію газу. Молекули сповільнюються, температура падає, а шлях P–V стрімкіший за ізотерму, бо жодна теплота не надходить, щоб підтримати тиск.

• Q = 0
• TV^(γ−1) = const

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Газ розширюється швидко, без часу обмінятися теплотою з оточенням (адіабатично). Чи змінюється температура газу, хоча теплота не входить і не виходить?

Прогнози для зважування

• Газ охолоджується — він виконує роботу над оточенням, витрачаючи власну внутрішню енергію.
• Температура лишається тією самою, бо теплота не обмінюється.
• Газ нагрівається при розширенні.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Кінцевий об'єм V₂ (L)

Що ви вимірюєте:

• Робота газу W_gas (J)
• Кінцева температура T₂ (K)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет адіабатичного розширення та натисніть «Скинути». 1 моль двоатомного азоту (f = 5) стартує з 24.9 L, 300 K.
2. Увімкніть показ кінцевої температури на камері.
3. Задайте цільовий (кінцевий) об'єм для кожного заміру та запишіть кінцеву температуру й виконану роботу.

Керівне рівняння

Адіабатичний процес — ΔU = Q − W

Без обміну теплотою (Q = 0) перший закон зводиться до ΔU = −W_gas: газ, що розширюється, може виконувати роботу лише за рахунок власної внутрішньої енергії, тож мусить охолоджуватися. Тиск і об'єм підпорядковуються P·V^γ = const.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Для одного заміру обчисліть T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1) з γ = (f+2)/f = 1.4, T₁ = 300 K, V₁ = 24.9 L. Потім обчисліть W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁). Порівняйте обидва з таблицею.
• З Q = 0 у кожному замірі перший закон дає ΔU = −W_gas точно. Поясніть в термінах збереження енергії, чому газ, що розширюється і виконує додатну роботу, мусить охолодитися, коли не може підтягнути теплоту.

Де це трапляється за межами лабораторії

• Аерозольний балончик відчувається холодним, коли газ виривається й швидко розширюється — надто швидко, щоб обмінятися значною теплотою з оточенням. Поясніть, чому це справжній (хоч і неідеальний) приклад адіабатичного охолодження.
• Порівняйте ваші кінцеві температури тут із тим, що дало б обернення ізотермічного стиснення (ізотермічне розширення) для тієї самої зміни об'єму: ізотермічне тримає T сталою, а цей адіабатичний випадок — ні. Чому прибрання припущення теплообміну змінює результат?

• 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

1. Вітаємо в адіабатичному розширенні
2. Виберіть камеру
3. Натисніть «Запустити»
4. Розширення без потоку теплоти
5. Відкрийте панель властивостей
6. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Рівняння стану ідеального газу