Адіабатичне розширення: охолодження без втрати теплоти
1 · Прогноз
Газ розширюється швидко, без часу обмінятися теплотою з оточенням (адіабатично). Чи змінюється температура газу, хоча теплота не входить і не виходить?
- Газ охолоджується — він виконує роботу над оточенням, витрачаючи власну внутрішню енергію.
- Температура лишається тією самою, бо теплота не обмінюється.
- Газ нагрівається при розширенні.
2 · Установка
- Відкрийте пресет адіабатичного розширення та натисніть «Скинути». 1 моль двоатомного азоту (f = 5) стартує з 24.9 L, 300 K.
- Увімкніть показ кінцевої температури на камері.
- Задайте цільовий (кінцевий) об'єм для кожного заміру та запишіть кінцеву температуру й виконану роботу.
3 · Збір даних
| Кінцевий об'єм V₂ (L) | Робота газу W_gas (J) | Кінцева температура T₂ (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
Побудуйте графік кінцевої температури T₂ (вісь y) проти кінцевого об'єму V₂ (вісь x) для трьох замірів. Чи згинається лінія вниз?
4 · Аналіз
- 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.
5 · Поглиблення
- 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?
Фізика цього експерименту
Адіабатичний процес
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.