Wie prallen Gasmoleküle ständig ab, ohne Energie zu verlieren?

Aus einer verwandten Frage ( Wie drückt Gas ständig? ) fragte ich mich: Wie prallen Gasmoleküle ständig voneinander ab, ohne Energie zu verlieren?

Wenn Sie einen Ball fallen lassen, springt er ein paar Mal, aber die Höhe jedes Sprungs wird immer kürzer. Denn es verliert bei jedem Aufprall Energie.

Ich sehe also nicht, wie ein unter Druck stehendes Gas keine Energie verliert. So wie ich es verstehe, ist Druck eine Manifestation vieler Moleküle, die aneinander abprallen. Sollte der Druck mit der Zeit nicht abfallen, wenn die Moleküle an Geschwindigkeit verlieren? und schließlich setzen sich alle Moleküle in einem Haufen auf dem Boden ab.

Ich denke, eine andere Möglichkeit, dies auszudrücken, lautet: Wie verlieren elastische Stöße beim Austausch keine Energie? Mein Verständnis des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik ist, dass immer etwas Energie "verloren" geht, wenn sie von einer Form in eine andere umgewandelt oder von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird. Das heißt, keine Übertragung/Umwandlung von Energie ist jemals zu 100 % effizient.

Genau genommen gibt es keine vollkommen elastischen Stöße zwischen Atomen und Molekülen. Ein Teil der Energie/Impuls wird in Photonen umgewandelt. In Wirklichkeit besteht ein echtes Gas in einem perfekt isolierten Volumen also immer aus zwei Gasen: einem Gas aus massiven Teilchen und einem Gas aus Photonen. Die beiden Komponenten befinden sich im thermodynamischen Gleichgewicht miteinander. Allerdings ist die Energiedichte im Photonengas meist so gering, dass sie für die Zwecke der Thermodynamik auf der „Raumtemperatur“-Skala keine Rolle spielt.
Also habe ich einfach die Zahlen in die Formel für die Energiedichte des Photonengases eingesetzt u = π 2 k 4 15 C 3 ℏ 3 T 4 , und wenn ich mich nicht geirrt habe, beträgt die Energiedichte bei 300K ca. 10 − 16 J / M 3 . Dies bedeutet, dass rund 10000 ∗ 300 K die Energiedichte des Photonengases steigt an 1 J / M 3 und bei 30 Millionen K ist es schon 10 , 000 J / M 3 . Angesichts der Energiedichten in magnetisch eingeschlossenen Fusionsreaktoren sind dies enorme Mengen (da auch dieses Photonengas mit Lichtgeschwindigkeit entweicht!) und die Fusionsreaktorphysik muss den Energieverlust durch Photonen sehr genau kontrollieren.

Antworten (3)

Wie in den Kommentaren zu der Frage festgestellt wurde, gibt es in realen Gasen (im Gegensatz zu idealen Gasen, die nur elastisch herumspringen) sowohl elastische als auch inelastische Streuungen, die durch quantenmechanische Wechselwirkungen gesteuert werden.

Photonen werden erzeugt, was zu einer sogenannten Schwarzkörperstrahlung führt , und ein isoliertes Gasvolumen verliert gemäß dem Stephan-Boltzmann- Gesetz Energie.

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie, die pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers über alle Wellenlängen pro Zeiteinheit abgestrahlt wird (auch bekannt als Strahlungsleistung oder Emissionsleistung des schwarzen Körpers), direkt proportional zur vierten Potenz des Schwarzen ist thermodynamische Körpertemperatur T:

Stephan Boltzmann

Das Gas verliert also Energie, wenn die Temperatur der umgebenden Materie niedriger ist.

Als Antwort auf

Ich denke, eine andere Möglichkeit, dies auszudrücken, ist, wie elastische Stöße beim Austausch keine Energie verlieren

Elastisch bedeutet eine Wechselwirkung zweier Teilchen, bei der davor und danach kinetische Energie erhalten bleibt. Geht man davon aus, dass für diese Streuung nur kinetische Energien existieren (wie im idealen Gas), dann bleibt Energie erhalten, denn was das eine Teilchen verliert, gewinnt das andere. Wenn es andere Energieformen gibt, die zur Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen beitragen können, dann ist es die Gesamtenergie, die erhalten bleibt. Bei Billardkugeln muss bei der Energiebilanz klassischerweise Reibung berücksichtigt werden, ebenso bei der springenden Kugel, und die kinetischen Energien sind nicht mehr die Gesamtenergie des Systems. Für Teilchen in einem Gas ist es das oben beschriebene quantenmechanische Gerüst.

Die einfachste mögliche Antwort ist, dass in einem geschlossenen System der niedrigste Entropiezustand derjenige ist, bei dem die Temperatur (statistisch) gleichmäßig ist.

Wenn ein Ball jedes Mal tiefer springt, verliert er kinetische Energie. Dies ist ein Ergebnis der inneren Reibung – die kinetische Energie wird in innere Erwärmung umgewandelt.

Wohin geht die Energie, wenn zwei Atome unelastisch aneinander abprallen? Ich kann mir zwei Mechanismen vorstellen.

Die erste ist die Heizung . In diesem Fall muss eines der Atome die Energie bekommen, denn so wird "Wärme" in einer Substanz gespeichert ...

Der andere Mechanismus wäre elektromagnetische Strahlung . Einiges davon tritt auf - es ist Schwarzkörperstrahlung, wie in Anna Vs Antwort erklärt. Diese Strahlung interagiert mit den Wänden des Gefäßes - wenn die Wände die gleiche Temperatur wie das Gas haben, kommt die gleiche Menge an Strahlung zurück, wie sie emittiert wurde, und die beiden bleiben im thermischen Gleichgewicht (mit anderen Worten, ein anderes Photon woanders trägt die Energie zurück in das Gas). Wenn die Wände nicht die gleiche Temperatur haben, ändert sich die Temperatur des Gases im Laufe der Zeit aufgrund der Wechselwirkung zwischen Wänden und Gas - die beiden tendieren zum Gleichgewicht.

Fazit: Es gibt keinen Ort, an dem die Energie "verloren gehen" kann. Und so ist es nicht...

Wie prallen Gasmoleküle ständig ab, ohne Energie zu verlieren?
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