绝热膨胀：冷却而不失热

1·预测

气体迅速膨胀，没有时间与周围环境进行热交换（绝热）。即使没有热量进入或离开，气体的温度也会变化吗？

• 气体冷却下来——它确实利用自己的内部能量对周围环境起作用。
• 由于没有热量交换，温度保持不变。
• 气体随着膨胀而升温。

2·设置

1. 打开「绝热膨胀（adiabatic-expansion）」预设并按重置。1摩尔双原子氮气（f = 5）从24.9 L、300 K的状态开始。
2. 启用腔室的最终温度读数。
3. 设置每次试验的目标（最终）体积，并记录最终温度和完成的功。

3·收集数据

针对三次试验，绘制最终温度T₂（y轴）相对最终体积V₂（x轴）的关系图。曲线是否向下弯曲？

4·分析

1. 对于其中一次试验，使用γ = (f+2)/f = 1.4、T₁ = 300 K、V₁ = 24.9 L，计算T₂ = T₁·(V₁/V₂)^(γ−1)。再计算W_gas = −ΔU = −(f/2)nR(T₂ − T₁)。将两者与表格比较。
2. 每次试验中 Q = 0 时，第一定律准确给出 ΔU = −W_gas。从能量守恒定律的角度解释为什么做正功的膨胀气体在无法吸热时必须冷却。

5·扩展

1. 喷雾罐喷出气体并迅速膨胀时会感觉变冷——速度太快，来不及与周围环境交换多少热量。请解释为什么这是绝热冷却在现实中的例子（虽然并不完美）。
2. 将这里的最终温度，与“等温压缩（isothermal-compression）”实验的逆过程（等温膨胀）在相同体积变化下会得到的结果进行比较：等温过程中T保持不变，但这个绝热过程并非如此。去掉“无热交换”这一假设，为什么会改变结果？

这个实验背后的物理原理

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