絕熱膨脹：冷卻而不失熱
1·預測
氣體迅速膨脹，沒有時間與周圍環境熱交換（絕熱）。即使沒有熱量進入或離開，氣體的溫度也會改變嗎？
- 氣體冷卻下來——它確實利用自己的內部能量對周圍環境起作用。
- 由於沒有熱量交換，溫度保持不變。
- 氣體隨著膨脹而升溫。
2·設定
- 打開「絕熱膨脹（adiabatic-expansion）」預設並按重設。1莫耳雙原子氮氣（f = 5）從24.9 L、300 K的狀態開始。
- 啟用腔室的最終溫度讀數。
- 設定每次試驗的目標（最終）體積，並記錄最終溫度和完成的功。
3·收集數據
| 最終體積 V2 (L) | 氣體所做的功 W_gas (J) | 最終溫度T2 (K) |
|---|---|---|
| 37.41 | ||
| 49.89 | ||
| 62.36 |
針對三次試驗，繪製最終溫度T₂（y軸）相對最終體積V₂（x軸）的關係圖。曲線是否向下彎曲？
4·分析
- 對於其中一次試驗，使用γ = (f+2)/f = 1.4、T₁ = 300 K、V₁ = 24.9 L，計算T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1)。再計算W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁)。將兩者與表格比較。
- 每次試驗中 Q = 0 時，第一定律準確給出 ΔU = −W_gas。從能量守恆定律的角度解釋為什麼做正功的膨脹氣體在無法吸熱時必須冷卻。
5·擴展
- 噴霧罐噴出氣體並迅速膨脹時會感覺變冷——速度太快，來不及與周圍環境交換多少熱量。請解釋為什麼這是絕熱冷卻在現實中的例子（雖然並不完美）。
- 將這裡的最終溫度，與「等溫壓縮（isothermal-compression）」實驗的逆過程（等溫膨脹）在相同體積變化下會得到的結果進行比較：等溫過程中T保持不變，但這個絕熱過程並非如此。去掉「無熱交換」這一假設，為什麼會改變結果？
這個實驗背後的物理原理
絕熱過程
在沒有熱交換的情況下（Q = 0），第一定律簡化為 ΔU = −W_gas：膨脹的氣體只能透過消耗其自身的內部能量來做功，因此它必須冷卻。壓力和體積遵循 P·V^γ = 常數。