Wie erklären Sie die Tatsache, dass, wenn sich Luft aus einer Atmosphäre mit konstantem Druck frei in eine evakuierte Kammer ausdehnt, ihre Temperatur ansteigt?

Dabei bin ich auf dieses Papier gestoßen:

Baker, B. (1999). Eine einfach durchzuführende, aber oft kontraintuitive Demonstration der Gasausdehnung. American Journal of Physics, 67(8), 712-713. http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp/67/8/10.1119/1.19357

Und ich habe die Erklärung nicht ganz verstanden. Ich kann nicht sehen, wie sich dies vom Joule-freien Expansionsexperiment ohne Temperaturänderung unterscheidet.

Im Wesentlichen sagt der Autor des Artikels, dass die Atmosphäre das Gas bearbeitet und seine innere Energie erhöht. Dies ist der Grund für den Temperaturanstieg. Würde diese Logik jedoch nicht auch zu einer Temperaturerhöhung bei der joulefreien Expansion führen?

Jeder Einblick wäre sehr willkommen.

Antworten (1)

Es gibt einen großen Unterschied zum üblichen Joules-Experiment. Hier wird das System während der Gasexpansion in die evakuierte Kammer nicht isoliert. Wenn ein Setup wie das in dem von Ihnen erwähnten Artikel betrachtete in Betracht gezogen wird, treten im Prinzip zwei Dinge in Konkurrenz:

  • Ob das Gas arbeiten muss, um sich in der größeren Kammer auszudehnen
  • Gibt es irgendetwas von außen, das dem Gas hilft, sich auszudehnen?

Eine evakuierte Kammer behandelt Punkt 1 und sagt uns, dass das Gas nicht arbeiten muss (und daher Energie verliert), um sich in der Kammer auszudehnen, um zusätzlichen Raum zu gewinnen. Die Tatsache, dass das gesamte System mit einem Kolben verbunden ist, der mit atmosphärischem Druck in Kontakt steht, sagt uns, dass das System a) nicht isoliert ist und b) dass der atmosphärische Druck dem Gas „hilft“, sich in der Kammer auszudehnen.

Geht man nun von einer quasistatischen Ausdehnung aus, muss der Druck auf den Kolben während des Ausdehnungsvorgangs zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden. Grundsätzlich arbeitet der Kolben bei jedem Druckabfall auf der Gasseite (durch Leckage in die Kammer) ein wenig, um die Drücke wieder auszugleichen. Wenn der Prozess adiabat ist, kann die von der Atmosphäre geleistete Arbeit nirgendwohin gehen und verbleibt als Temperaturerhöhung/kinetische Energie im Gas.

Vielen Dank für Ihre Erklärung. Ich denke, dass ich die Situation jetzt viel besser verstehe. Allerdings bin ich noch etwas verwirrt. In der Demonstration gibt es eigentlich keinen Kolben. Das ist eine Analogie, die verwendet wird, um zu erklären, warum sich das Gas erwärmt. Eigentlich wird nur ein kleines Ventil geöffnet und Luft kann zurück in die Kammer kommen. Ich frage mich jetzt, warum die Kolbenlogik nicht im joulefreien Expansionsexperiment verwendet werden kann: ( en.wikipedia.org/wiki/Joule_expansion ). Würde der Druck im linken Teil nicht wie ein Kolben wirken und "dem Gas helfen, sich auszudehnen" in die rechte Seite?
In Abb.1 des Artikels befindet sich ein Kolben. Er wird in der Ableitung modelliert, indem der Wert des Drucks im Behälter aufgeprägt wird. Schließlich muss im Gleichgewichtszustand die Dichte in beiden Kompartimenten gleich sein und damit auch der Druck. Nun wird der Druckwert auf der linken Seite durch den atmosphärischen Druck aufgeprägt und das wars. Beachten Sie, dass die Erwärmung von der Atmosphäre kommt, die funktioniert, das Gas tut nichts. Im ursprünglichen Joules-Experiment gibt es keinen vorgeschriebenen Wert für den Druck, da das System vollständig isoliert ist.
Danke! Das Papier beschrieb die Joule-freie Ausdehnung als Gas, das von einem Behälter mit konstantem Volumen zu einem anderen Behälter mit konstantem Volumen strömt. Der Behälter, der ursprünglich Gas enthält, verliert also bei der Ausdehnung Wärmeenergie, weil er wie der Kolben wirken und Arbeit am Gas leisten musste, und die Netto-Null-Temperaturänderung ist nur darauf zurückzuführen, dass sich die beiden Seiten im thermischen Gleichgewicht befanden. Dies widerspricht jedoch meinem Thermophysik-Lehrbuch An Introduction to Thermal Physics By Daniel Schroeder, das die freie Expansion als arbeitslos beschreibt, weil das Gas nichts weiterzutreiben hat. Hmmm...
Nein, beim Jouleschen Expansionsproblem funktioniert das Gas (als Ganzes) überhaupt nicht, um sich im anderen Behälter auszudehnen, und daher ist seine Energieänderung Null. In dem Fall, auf den Sie hinweisen, arbeitet nicht das Gas in der Box, sondern die Atmosphäre außerhalb des Systems über einen Kolben. Denn in diesem Fall ist das System {Kiste+Gas} nicht vollständig von der Außenwelt isoliert und es besteht daher kein Grund, dass die Energie gleich bleibt.
Wie erklären Sie die Tatsache, dass, wenn sich Luft aus einer Atmosphäre mit konstantem Druck frei in eine evakuierte Kammer ausdehnt, ihre Temperatur ansteigt?
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