Як змінюється температура газу за його швидкого. Стиснення та розрідження газів

Інструкція

При цьому молярну масу M можна знайти за таблицею Д.І. Менделєєва. У азоту вона дорівнює 12 г/моль. Тоді:

V=0,05*12*8,31*333/30*12≈4,61.

Якщо відомий обсяг при нормальних умовах, а обсяг за інших умов є шуканим, застосуйте закони Бойля-Маріотта та Гей-Люссака:

pV/T=pнVн/Tн.

У такому разі перетворіть формулу таким чином:

pV*Tн=pнVн*T.

Звідси обсяг V дорівнює:

V=pнVн*T/p*Tн.

Індекс н означає величину того чи іншого параметра за нормальних умов.

Якщо розглядати об'єм газу з погляду термодинаміки, то можна , що на гази можуть діяти сили, за рахунок яких змінюється об'єм. При цьому тиск газу постійно, що для ізобарних процесів. У результаті таких процесів обсяг змінюється з однієї величини в іншу. Їх можна позначити як V1 та V2. У разі низки завдань описується певний газ, що під поршнем в посудині. При розширенні цього газу поршень пересувається на деяку відстань dl, у результаті здійснюється робота:

Якщо це тверде тіло, то частки коливаються у вузлах кристалічних ґрата якщо це газ, то частинки вільно переміщуються в об'ємі речовини, стикаючись один з одним. Температура речовини пропорційна інтенсивності руху. З погляду фізики, це означає, що температура прямо пропорційна кінетичній енергії частинок речовини, яка, у свою чергу, визначається величиною швидкості руху частинок та їх масою.

Чим більша температуратіла, тим більше середня кінетична енергіячастинок. Цей факт відображається у формулі для кінетичної енергії ідеального газу, рівною добутку , постійної Больцманата температури.

Вплив обсягу на температуру

Уявіть собі внутрішня будовагазу. Газ можна вважати ідеальним, абсолютну гнучкість зіткнень молекул один з одним. Газ має певну температуру, тобто певну величину кінетичної енергії частинок. Кожна частка ударяється не тільки з іншою частинкою, але і зі стінкою судини, що обмежує об'єм речовини.

Якщо обсяг газу збільшується, тобто газ розширюється, кількість зіткнень частинок зі стінками судини і один з одним зменшується через збільшення вільного пробігу кожної молекули. Зменшення кількості зіткнень веде до спаду тиску газу, але загальна середня кінетична не змінюється, бо процес зіткнення часток не впливає на її величину. Таким чином, під час розширення ідеального газу температура не змінюється. Цей процесназивається ізотермічним, тобто процесом із постійною температурою.

Зверніть увагу, що цей ефект сталості температури при розширенні газу заснований на припущенні його ідеальності, а також на тому, що при зіткненні частинок зі стінками судини частинки не втрачають енергії. Якщо ж газ не , то при його розширенні зменшується кількість зіткнень, що призводять до втрати енергії, спад температури стає менш різким. Практично дана ситуаціявідповідає термостатування речовини газу, при якому знижуються енергетичні втрати, що спричиняють зменшення температури.

Відео на тему

Зміна температури газу за зміни його обсягу. Адіабатичні та ізотермічні процеси

Ми встановили, як залежить тиск газу від температури, якщо обсяг залишається незмінним. Тепер подивимося, як змінюється тиск деякої маси газу залежно від об'єму, який вона займає, якщо температура залишається незмінною.

Для цього треба вивчити, що відбувається з температурою газу, якщо його обсяг змінюється настільки швидко, що теплообмін газу з навколишніми тілами практично відсутній.

Тепер надамо газу можливість розширюватись і виконувати при цьому роботу проти сил зовнішнього тиску. Нехай у великій бутлі знаходиться стиснене повітря, що має кімнатну температуру(Рис. 8). Дамо повітрю в бутлі можливість розширюватися, виходячи з невеликого отвору назовні, і помістимо в струмені повітря термометр, що розширюється. Термометр покаже температуру нижчу за кімнатну. Отже, коли газ розширюється і при цьому виконує роботу, він охолоджується, і внутрішня енергія зменшується. Зрозуміло, що нагрівання газу при стисканні та охолодження при розширенні є виразом закону збереження енергії.

Якщо звернутися до мікросвіту, то явища нагрівання газу при стисканні та охолодженні при розширенні стануть цілком ясними. Коли молекула ударяється об нерухому стінку і відскакує від неї, швидкість, а,отже, і кінетична енергія молекули в середньому такі самі, як і до удару об стінку. Але якщо молекула вдаряється і відскакує від поршня, що насувається на неї, її швидкість і кінетична енергія більше, ніж до удару про поршень (подібно до того, як швидкість тенісного меча збільшується, якщо його вдарити в зустрічному напрямку ракеткою). Насувається поршень передає молекулі, що відбивається від нього, додаткову енергію. Тому внутрішня енергія газу при стисканні зростає. При відскакуванні від поршня, що віддаляється, швидкість молекули зменшується, бо молекула здійснює роботу, штовхаючи відходить поршень. Тому розширення газу, пов'язане з відсуненням поршня або шарів навколишнього газу, супроводжується здійсненням роботи та призводить до зменшення внутрішньої енергіїгазу.

Отже, стиск газу зовнішньою силою викликає його нагрівання, а розширення газу супроводжується його охолодженням. Це певною мірою має місце завжди, але особливо різко помітно тоді, коли обмін теплотою з оточуючими тілами зведений до мінімуму, бо такий обмін може більшою чи меншою мірою компенсувати зміну температури. Процеси, при яких теплообмін з зовнішнім середовищемвідсутня, називають адіабатичними.

Як забезпечити постійну температуру газу, незважаючи на зміну його обсягу? Очевидно, для цього треба безперервно передавати газу теплоту ззовні, якщо він розширюється, і безперервно відбирати від нього теплоту, передаючи її оточуючим тілам, якщо стискається газ. Зокрема, температура газу залишається практично постійною, якщо розширення або стиск газу проводиться дуже повільно, а теплообмін із зовнішнім середовищем відбувається досить швидко. При повільному розширенні теплота від навколишніх тіл передається газу та його температура знижується так мало, що цим зниженням можна знехтувати. При повільному стисканні теплота, навпаки, передається від газу до навколишніх тіл, і внаслідок цього температура його підвищується лише дуже мало. Процеси, за яких температура підтримується незмінною, називаються ізотермічними.

Закон Бойля-Маріотта.Як пов'язані між собою обсяг та тиск при ізотермічній зміні стану газу? Щоденний досвід вчить нас, що при зменшенні обсягу деякої маси газу, тиск його збільшується. Але як саме збільшується тиск газу при зменшенні обсягу, якщо температура газу залишається незмінною?

Відповідь це питання дали дослідження, зроблені XVII столітті англійським фізиком і хіміком Робертом Бойлем (1627 – 1691) і французьким фізиком Едмом Маріоттом (1620 – 1684).

Досліди, що встановлюють залежність між обсягом та тиском газу, можна відтворити за допомогою приладу, схожого на газовий термометрзображеного на рис. 5. На вертикальній стійці, з поділками, знаходяться скляні трубки A і B, з'єднані гумою трубкою C. У трубки налита ртуть. Трубка B зверху відкрита, на трубці A є кран. Закриємо цей кран, замкнувши таким чином деяку масу повітря в трубці A. Поки ми не зрушуємо трубки, рівень ртуті в них однаковий.

Це означає, що тиск повітря, замкненого в трубці A, такий самий, як і тиск зовнішнього повітря. Тепер повільно підніматимемо трубку B. Ми побачимо, що ртуть в обох трубках підніматиметься, але не однаково: у трубці B рівень ртуті буде весь час вищий, ніж у трубці A. Якщо ж опустити трубку B, то рівень ртуті в обох колінах знижується , але у трубці B більше, ніж у трубці A.

Об'єм повітря, замкненого в трубці A, можна відрахувати по діленням трубки A. Тиск цього повітря відрізнятиметься від атмосферного на величину тиску стовпа ртуті, висота якого дорівнює різниці рівнів ртуті в трубках A і B. При піднятті трубки B тиск стовпа ртуті додається до атмосферного тиску. Об'єм повітря в трубці A при цьому зменшується. При опусканні трубки B рівень ртуті в ній виявляється нижчим, ніж у трубці A, і тиск стовпа ртуті віднімається з атмосферного тиску, об'єм повітря в трубці A відповідно збільшується.

Зіставляючи отримані таким чином значення тиску та об'єму повітря, замкненого в трубці A, переконаємося, що при збільшенні об'єму деякої маси повітря в певна кількістьЯкщо тиск його в стільки ж разів зменшується і навпаки. Температуру повітря в трубці за цих дослідів вважатимуться незмінною.

Отже, тиск деякої маси газу при постійній температуріназад пропорційно до обсягу газу(Закон Бойля - Маріотта).

Для розріджених газів закон Бойля – Маріотта виконується з високим ступенемточності. Для газів сильно стислих або охолоджених виявляються помітні відступи від цього закону.

Формула, що виражає закон Бойля - Маріотта.Позначимо початковий та кінцевий обсяги літерами V 1і V 2і початковий і кінцевий тиск літерами p 1і p 2. На підставі результатів вище викладених дослідів можна написати

Формула (4) є інше вираз закону Бойля - Маріотта. Вона означає, що для даної маси газу добуток обсягу газу на його тиск при ізотермічному процесізалишається незмінним.

Формули (3) і (4) можуть бути застосовані також у тому випадку, якщо процес зміни об'єму газу не був ізотермічним, але зміни температури були такі, що і на початку і в кінці процесу температура даної маси газ була та сама.

Для розряджених газів закон Бойля - Маріотта виконується з високим ступенем точності, і за умови незмінності температури твір pVдля цієї маси газу вважатимуться суворо постійним. Але у разі переходу до дуже великих тисків виявляється помітний відступ від нього. При поступовому збільшенні тиску деякої маси газу добуток pVспочатку набагато зменшується, а потім починає збільшуватися, досягаючи значень, що в кілька разів перевищують значення, відповідні розрідженому газу.

Дві судини місткості 4,5 л і 12,5 л з'єднані трубкою з краном. У першому знаходиться газ при тиску 20 кгс/см2. У другому є незначна кількість газу, яким можна знехтувати. Який тиск установиться в обох посудинах, якщо відкрити кран? (Відповідь: 5,3 кгс/см2)

У техніці часто використовують графіки, що показують залежність тиску газу від його обсягу. Можна накреслити такий графік для ізотермічного процесу. По осі абсцис відкладаємо обсяг газу, по осі ординат – його тиск. Нехай тиск цієї маси газу при об'ємі 1 м 3 дорівнює 3,6 кгс/см 2 . На підставі закону Бойля - Маріотта розрахуємо, що при обсязі 2 м 3 тиск дорівнює 3,6 '0,5 кгс/см 2 =
1,8 кгс/см 2 . Продовжуючи такі розрахунки, отримаємо таку таблицю:

Таблиця 5

Якщо нанести ці дані у вигляді точок, абсцисами яких є значення V, а ординатами – відповідні значення р, Отримаємо криву лінію (гіперболу) - графік ізотермічного процесу в газі

Залежність між щільністю газу та його тиском. Щільністю речовини називається маса, укладена в одиниці об'єму.Якщо, наприклад, зменшити обсяг газу вп'ятеро, то щільність газу збільшиться теж уп'ятеро. При цьому збільшиться тиск газу. Якщо температура не змінилася, то, як показує закон Бойля – Маріотта, тиск збільшиться також уп'ятеро. З цього прикладу видно, що при ізотермічному процесі тиск газу змінюється прямо пропорційно до його щільності.

Якщо щільність газу при тиску p 1 та p 2дорівнюють ρ 1 і ρ 2 , то можна написати

Цей важливий результатможна вважати іншим і більш суттєвим виразом закону Бойля - Маріотта. Справа в тому, що замість обсягу газу, який залежить від випадкової обставини – від того, яка обрана маса газу, – до формули (5) входить щільність газу, яка, так само як і тиск, характеризує стан газу і зовсім не залежить від випадкового вибору маси.

Щільність водню при тиску 1,00 кгс/см 2 та температурі 16 °C дорівнює 0,085 кг/м 3 . Визначте масу водню, що міститься в балоні місткості 20 л, якщо тиск
80 кгс/см 2 та температура дорівнює 16 °C. ( Відповідь: 0,136 кг).

Молекулярне тлумаченнязакону Бойля - Маріотта.Якщо змінюється щільність газу, то стільки ж змінюється і число молекул в одиниці об'єму. Якщо газ не надто стиснутий і рух молекул можна вважати абсолютно незалежним один від одного, то кількість ударів Nза одиницю часу на одиницю поверхні стінки судини пропорційно числу молекул nв одиниці обсягу. Отже, якщо Середня швидкістьмолекул не змінюється з часом (у макросвіті це означає сталість температури), то тиск газу має бути пропорційно числу молекул nу одиниці обсягу, тобто. густини газу. Таким чином, закон Бойля – Маріотта є чудовим підтвердженням наших уявлень про природу газу.

Однак, як було сказано, закон Бойля - Маріотта перестає виправдовуватися, якщо перейти до більшого тиску. І це обставина можна пояснити, як вважав ще М.В. Ломоносів, виходячи з молекулярних уявлень.

З одного боку, у сильно стиснутих газах розміри самих молекул є порівняльними з відстанями між ними. Таким чином, вільний простір, в якому рухаються молекули, менший, ніж повний обсяг газу. Ця обставина збільшує кількість ударів молекул об стінку, оскільки завдяки ньому скорочується відстань, яка має пролетіти молекула, щоб досягти стінки.

З іншого боку, в сильно стислому і, отже, більш щільному газі молекули помітно притягуються до інших молекул. більшу частинучасу, ніж молекули у розрідженому газі. Це, навпаки, зменшує кількість ударів молекул об стінку, оскільки за наявності тяжіння до інших молекул молекули газу рухаються у напрямку стінки з меншою швидкістю, ніж за відсутності тяжіння. При невеликих тисках істотнішим є друга обставина, і твір pVтрохи зменшується. При дуже високих тискахбільшу роль відіграє перша обставина та твір pVзбільшується.

Отже, і закон Бойля - Маріотта та відступи від нього підтверджують молекулярну теорію.

Зміна обсягу газу за зміни температури.Тепер встановимо, як поводиться газ, якщо змінюються його температура та об'єм, а тиск залишається постійним. Розглянемо такий досвід. Торкнемося долонею судини, в якій горизонтальний стовпчик ртуті замикає деяку масу повітря. Газ у посудині нагрівається, його тиск підвищиться і ртутний стовпчик почне переміщатися. Рух стовпчика припиниться, коли завдяки збільшенню обсягу повітря в посудині тиск його стане рівним зовнішньому. Таким чином, обсяг повітря під час нагрівання збільшився, а тиск залишився незмінним.

Якби знали, як змінилася у нашому досвіді температура повітря в посудині, і виміряли, як змінюється обсяг газу, ми могли б вивчити це явище з кількісного боку.

Закон Гей-Люссака.Кількісне дослідження залежності обсягу газу від температури при незмінному тиску було зроблено в 1802 французьким фізиком і хіміком Жозефом Луї Гей-Люссаком (1778-1850).

Досвіди показали, що збільшення обсягу газу пропорційно збільшенню температури. Тому теплове розширеннягазу можна, так само як і для інших тіл, охарактеризувати за допомогою температурного коефіцієнта об'ємного розширення. Виявилося, що для газів цей закон дотримується набагато краще, ніж для твердих і рідких тіл, отже температурний коефіцієнтоб'ємного розширення газів є величина практично постійна навіть за дуже значних змін температури (тоді як для рідких і твердих тілце сталість дотримується лише приблизно):

Досліди Гей-Люссака та інших виявили чудовий результат. Виявилось, що температурний коефіцієнт об'ємного розширення β у всіх газів однаковий (точніше майже однаковий) і дорівнює 1/273 °C -1 . Об'єм деякої маси газу при нагріванні на 1 °C при постійному тискузбільшується на 1/273 частина обсягу, який ця маса газу мала при 0 °C (Закон Гей-Люссака).

Як видно, температурний коефіцієнт об'ємного розширення газів β збігається з їх температурним коефіцієнтом тиску α .

Слід зазначити, що теплове розширення газів дуже значне, тому обсяг газу V 0 при 0 °C помітно відрізняється від обсягу при іншій, наприклад, при кімнатній, температурі. Тому у разі газів не можна без помітної помилки замінити у формулі (6) обсяг V 0 обсягом V. Відповідно до цієї формули розширення для газів зручно додати наступний вигляд. За початковий обсяг приймемо обсяг V 0 за температури 0 °C. У такому разі збільшення температури газу τ одно температурі tвідрахованою за шкалою Цельсія. Отже, температурний коефіцієнт об'ємного розширення

Формула (7) може служити для обчислення об'єму при температурі як вище
0 °C, і нижче 0 °C. У останньому випадку tбуде мати від'ємні значення. Слід, однак, пам'ятати, що закон Гей-Люссака не виправдовується, коли газ сильно стиснутий чи настільки охолоджений, що він наближається до стану зрідження. І тут користуватися формулою (8) не можна.

Збіг коефіцієнтів α і β , що входять до закону Шарля і закону Гей-Люссака, не випадково. Легко бачити, що оскільки гази підпорядковуються закону Бойля - Маріотта, то α і β повинні бути рівними між собою. Справді, нехай деяка маса газу має за температури 0 °C об'єм V 0 та тиск p 0 . Нагріємо її до температури tпри постійному обсязі. Тоді тиск її, згідно із законом Шарля, буде рівний p = p 0 (1+α t). З іншого боку, нагріємо ту саму масу газу до температури tпри постійному тиску. Тоді, згідно із законом Гей-Люссака, обсяг її стане рівним V = V 0 (1+βt). Отже, дана масагазу може мати за температури tОб `єм V 0 та тиск p = p 0 (1+ αt) або обсяг V = V 0 (1+βt) та тиск p 0 .

Відповідно до закону Бойля – Маріотта V 0 p = Vp 0, тобто.

V 0 p 0 (1+ α t) = V 0 p 0 (1+βt), Þ α = β

Об `єм повітряної куліпри 0 ° C дорівнює 820 м 3 . Яким буде об'єм цієї кулі, якщо під дією променів Сонця газ усередині неї нагрівається до 15 °C? Зміною маси газу внаслідок витікання його з оболонки та зміною його тиску знехтувати. ( Відповідь: 865 м3).

Закон Клайперона-Менделєєва: pV=RT , де R- Постійна газова 8,31 Дж/моль´град. Цей законназивають рівнянням стану ідеального газу. Воно отримано 1834 р. французьким фізиком та інженером Б. Клайпероном і узагальнено 1874 р. Д.І. Менделєєвим для будь-якої маси газу (спочатку Клайперон вивів це рівняння тільки для 1 молячи речовини ідеального газу).

pV=RT, pV/T=R=const.

Є два балони. В одному стислий газ, в іншому скраплений. Тиск та температура обох газів однакова. Визначити – у якому балоні накопичено більше енергії? І, отже, який із балонів небезпечніший? Хімічні властивостігазів не враховувати. (Відповідь: зі зрідженим газом).

Пояснимо розв'язання задачі на прикладі.

При неконтрольованій розгерметизації судин, що працюють під тиском, виникає небезпека фізичного або хімічного вибуху. Пояснимо це на системі вода – пара.

При атмосферному тискувода кипить при 100 °C у відкритій посудині. У закритій посудині в паровому котлі, наприклад, вода закипає при 100 °C, але пар, що утворюється при цьому, тисне на поверхню води і кипіння припиняється. Щоб вода продовжувала кипіти в котлі, необхідно її нагріти до температури, що відповідає тиску пари. Наприклад, тиск 6´10 5 Па відповідає температурі +169 °C,
8´10 5 Па – +171 °C, 12´10 5 Па – +180 °C тощо.

Якщо після нагрівання води, наприклад до 189 °C, припинити подачу тепла в топку котла і нормально витрачати пару, то вода кипітиме доти, доки температура не стане нижче 100 °C. При цьому, чим швидше зменшуватиметься тиск у котлі, тим інтенсивнішим буде кипіння та пароутворення за рахунок надлишку теплової енергії, що міститься у воді. Цей надлишок теплової енергії при падінні тиску від максимального до атмосферного цілком витрачається на пароутворення. У разі механічного розриву стінок котла чи судини порушується внутрішня рівновагау казані і відбувається раптове падіння тиску до атмосферного.

При цьому утворюється велика кількістьпара (з 1 м 3 води – 1700 м 3 пари, при нормальному тиску), що призводить до руйнування судини та її переміщення за рахунок реактивної сили, що виникає, що і викликає руйнування. Отже, незалежно від величини робочого тиску в котлі небезпека таїться не в парі, що заповнює паровий простір котла, а в нагрітій вище 100 ° C воді, що володіє величезним запасом енергії і готової будь-якої миті випаруватися при різкому зниженнітиску.

Об'єм 1 кг сухого насиченої пари(питомий обсяг) залежить від тиску: чим більший тисктим менше обсяг 1 кг пари.

При 20 кгс/см 2 об'єм, що займає 1 кг пари, майже в 900 разів більший за об'єм 1 кг води. Якщо це пара, не змінюючи температури стиснути у 2 разу, тобто. до 40 кгс/см 2 то його обсяг зменшиться також в 2 рази. Воду стиснути неможливо - вона майже стислива.

Очевидно, що такі ж процеси відбуваються і в балоні наповненим зрідженим газом. Чим більша різниця між температурою кипіння даного газу за нормальних умов і температурою кипіння при даному тиску в балоні, тим, отже, вища небезпека при механічне порушенняцілісності балона.

У даному випадкунебезпека таїться над величині тиску газу в балоні, а енергії, яка була витрачена на зрідження газу.

Ми встановили, як залежить тиск газу від температури, якщо обсяг залишається незмінним. Тепер подивимося, як змінюється тиск деякої маси газу залежно від об'єму, який вона займає, якщо температура залишається незмінною. Однак, перш ніж перейти до цього питання, треба з'ясувати, як підтримувати температуру газу незмінною. Для цього треба вивчити, що відбувається з температурою газу, якщо його обсяг змінюється настільки швидко, що теплообмін газу з навколишніми тілами практично відсутній.

Зробимо такий досвід. У закриту з одного кінця товстостінну трубку з прозорого матеріалу (плексигласу або скла) помістимо ватку, злегка змочену ефіром, і цим створимо всередині трубки суміш парів ефіру з повітрям, що вибухає при нагріванні. Потім швидко посунемо в трубку поршень, що щільно входить (рис. 378). Ми побачимо, що всередині трубки станеться маленький вибух. Це означає, що з стисненні суміші парів ефіру з повітрям температура суміші різко підвищилася. Це цілком зрозуміло. Стискаючи газ зовнішньою силою, ми виконуємо роботу, внаслідок якої внутрішня енергія газу має збільшитися; це й сталося – газ нагрівся.

Мал. 378. Швидко всуваючи поршень у товстостінну скляну трубку, ми змушуємо спалахнути всередині трубки ватку, що легко запалюється.

Тепер надамо газу можливість розширюватись і виконувати при цьому роботу проти сил зовнішнього тиску. Це можна здійснити, наприклад, так (рис. 379). Нехай у великій бутлі знаходиться стиснене повітря, що має кімнатну температуру. Дамо повітрю в бутлі можливість розширюватися, виходячи з невеликого отвору назовні, і помістимо в струмені повітря термометр, що розширюється, або колбу з трубкою, зображену на рис. 384. Термометр покаже температуру нижчу за кімнатну, а крапля в трубці, приєднаній до колби, побіжить у бік колби, що також буде вказувати на зниження температури повітря в струмені. Значить, коли газ розширюється і при цьому виконує роботу, він охолоджується і внутрішня енергія зменшується). Зрозуміло, що нагрівання газу при стисканні та охолодження при розширенні є виразом закону збереження енергії.

Мал. 379. Термометр 2, поміщений у струмені повітря, що розширюється, показує нижчу температуру, ніж термометр 1

Якщо ми звернемося до мікросвіту, то явища нагрівання газу при стисканні та охолодженні при розширенні стануть цілком зрозумілими. Коли молекула вдаряється об нерухому стінку і відскакує від неї, швидкість, отже, і кінетична енергія молекули загалом такі самі, як і до удару об стінку. Але якщо молекула вдаряється і відскакує від поршня, що насувається на неї, її швидкість і кінетична енергія більше, ніж до удару про поршень (подібно до того, як швидкість тенісного м'яча збільшується, якщо його вдарити в зустрічному напрямку ракеткою). Насувається поршень передає молекулі, що відбивається від нього, додаткову енергію. Тому внутрішня енергія газу при стисканні зростає. При відскакуванні від поршня, що віддаляється, швидкість молекули зменшується, бо молекула здійснює роботу, штовхаючи відходить поршень. Тому розширення газу, пов'язане з відсуненням поршня або шарів навколишнього газу, супроводжується здійсненням роботи та призводить до зменшення внутрішньої енергії газу.

Отже, стиск газу зовнішньою силою викликає його нагрівання, а розширення газу супроводжується його охолодженням. Це певною мірою має місце завжди, але особливо різко помітно тоді, коли обмін теплотою з оточуючими тілами зведений до мінімуму, бо такий обмін може більшою чи меншою мірою компенсувати зміну температури. Процеси, за яких теплообмін із зовнішнім середовищем відсутній, називають адіабатичними.

Повернемося до питання, поставленого на початку параграфу. Як забезпечити постійність температури газу, незважаючи на зміну його обсягу? Очевидно, для цього треба безперервно передавати газу теплоту ззовні, якщо він розширюється, і безперервно відбирати від нього теплоту, передаючи її оточуючим тілам, якщо стискається газ. Зокрема, температура газу залишається практично постійною, якщо розширення або стиск газу проводиться дуже повільно, а теплообмін із зовнішнім середовищем відбувається досить швидко. При повільному розширенні теплота від навколишніх тіл передається газу та його температура знижується так мало, що цим зниженням можна знехтувати. При повільному стисканні теплота, навпаки, передається від газу до навколишніх тіл, і внаслідок цього температура його підвищується лише дуже мало. Процеси, у яких температура підтримується незмінною, називають ізотермічними.

225.1. Чому при накачуванні повітря на велосипедну шину насос помітно нагрівається?

Ми встановили, як залежить тиск газу від температури, якщо обсяг залишається незмінним. Тепер подивимося, як змінюється тиск деякої маси газу залежно від об'єму, який вона займає, якщо температура залишається незмінною. Однак перед тим, як перейти до цього питання, треба з'ясувати, як підтримувати температуру газу незмінною. Для цього треба вивчити, що відбувається, з температурою газу, якщо його обсяг змінюється настільки швидко, що теплообмін газу з навколишніми тілами практично відсутній.

Зробимо такий досвід. У закриту з одного кінця товстостінну трубку з прозорого матеріалу помістимо ватку, злегка змочену ефіром, і цим створимо всередині трубки суміш ефірної пари з повітрям, що вибухає при нагріванні. Потім швидко посунемо в трубку поршень, що щільно входить. Ми побачимо, що всередині трубки станеться маленький вибух. Це означає, що з стисненні суміші парів ефіру з повітрям температура суміші різко підвищилася. Це цілком зрозуміло. Стискаючи газ зовнішньою силою, ми виконуємо роботу, внаслідок якої внутрішня енергія газу мала збільшитися; це і сталося-газ нагрівся.

Тепер надамо газу розширюватись і виконувати при цьому роботу проти сил зовнішнього тиску. Це можна здійснити. Нехай у великій бутлі знаходиться стиснене повітря, що має кімнатну температуру. Повідомивши сулію із зовнішнім повітрям, дамо повітрю в бутлі можливість розширюватися, виходячи з невеликого. отвори назовні, і помістимо в струмені повітря, що розширюється, термометр або колбу з трубкою. Термометр покаже температуру, помітно нижчу, ніж кімнатна, а крапля в трубці, приєднаної до колби, побіжить у бік колби, що також вказуватиме на зниження температури повітря в струмені. Значить, коли газ розширюється і при цьому виконує роботу, він охолоджується і внутрішня енергія зменшується. Зрозуміло, що нагрівання газу при стисканні та охолодження при розширенні є виразом закону збереження енергії.

Якщо ми звернемося до мікросвіту, то явища нагрівання газу при стиску та охолодження при розширенні стануть цілком зрозумілими. Коли молекула вдаряється об нерухому стінку і відскакує від неї, швидкість, отже, і кінетична енергія молекули, загалом така сама, як і до удару об стінку. Але якщо молекула вдаряється і відскакує від поршня, що насувається на неї, її швидкість і кінетична енергія більше, ніж до удару про поршень (подібно до того, як швидкість тенісного м'яча збільшується, якщо його вдарити в зустрічному напрямку ракеткою). Насувається поршень передає молекулі, що відбивається від нього, додаткову енергію. Тому внутрішня енергія газу при стисканні зростає. При відскакуванні від поршня, що віддаляється, швидкість молекули зменшується, бо молекула здійснює роботу, штовхаючи відходить поршень. Тому розширення газу, пов'язане з відсуненням поршня або шарів навколишнього газу, супроводжується здійсненням роботи та призводить до зменшення внутрішньої енергії газу.
Отже, стиск газу зовнішньою силою викликає його нагрівання, а розширення газу супроводжується його охолодженням. Це певною мірою має місце завжди, але особливо різко замітаю тоді, коли обмін теплотою з оточуючими тілами зведений до мінімуму, бо такий обмін може більшою чи меншою мірою компенсувати зміну температури.

Процеси, у яких передача теплоти настільки мізерна, що її можна знехтувати, називають адіабатичними.

Повернемося до питання, поставленого на початку глави. Як забезпечити постійність температури газу, незважаючи на зміни його обсягу? Очевидно, для цього треба безперервно передавати газу теплоту ззовні, якщо він розширюється, і безперервно відбирати від нього теплоту, передаючи її оточуючим тілам, якщо стискається газ. Зокрема, температура газу залишається досить постійною, якщо розширення або стиснення газу проводиться дуже повільно, а передача теплоти ззовні або ззовні може відбуватися з достатньою швидкістю. При повільному розширенні теплота від навколишніх тіл передається газу та його температура знижується так мало, що цим зниженням можна знехтувати. При повільному стисканні теплота, навпаки, передається від газу до навколишніх тіл, і внаслідок цього температура його підвищується лише дуже мало.

Процеси, у яких температура підтримується незмінною, називають ізотермічними.