絕熱膨脹 Adiabatic Expansion

絕熱膨脹 Adiabatic Expansion

目的

絕熱膨脹現象的演示。

 

實驗

用打氣筒將空氣持續打入保特瓶中,直到保特瓶中的壓力大到將瓶塞迸開。觀察瓶塞迸開的瞬間,保特瓶中的氣體有何變化。

 

實驗演示

 

 

原理思考

為什麼會產生白色像雲一般的現象,成因為何?

高壓的氣體快速從保特瓶中衝出的過程,因為速度極快,可視為一種絕熱膨脹(Adiabatic Expansion),根據熱力學第一定律:

∆U=Q-W

其中∆U:系統的內能變化,而氣體的內能只跟溫度有關

Q:氣體與外界做的熱交換

W:氣體對外界作的功

此實驗因為氣體膨脹的時間極點,氣體來不及與外界作熱交換,故 Q=0,又可將這次的膨脹過程稱為「絕熱」。又因為瓶子內部的氣體膨脹,對外界的空氣作正功,使得∆U為負值,顯示瓶子內的氣體內能(溫度)下降,使得溫度達到酒精、水氣的凝結溫度,使其凝結,也就是實驗觀察到的白霧。 從p-v圖來看,氣體從A點到B點,在A點時,氣體壓力很大,體積即為瓶子的容積,當氣體膨脹到B點時,壓力下降至1大氣壓,體積膨脹。
fig1 700x726 

注意:此p-v圖僅為示意圖,實際情況並不能針對此實驗繪製p-v圖,因為圖上路徑底下的面積為對外界作的功,然而繪製此路徑的前提是系統過程中必須保持在「準靜態過程」(Quasistatic Process),換句話說,要能夠在p-v圖上繪製路徑,其過程必須非常慢,才能確定路徑。(不同的路徑會造成不一樣的功)

 

討論

1.試比較絕熱膨脹與等溫(isothermal)膨脹的差別。

2.一般生活經驗裡,使用噴霧劑(殺蟲劑、空氣清香劑、瓦斯罐等),氣體在噴出後,金屬的罐身會變得涼涼的,這也是絕熱膨脹的例子。還有打開易開罐飲料時,瓶口也會出現霧狀的現象,也是類似的現象。

3.此實驗在瓶子內加入酒精,能否用其他液體來操作此實驗?

 

關於實驗

1.可同本網站中的壓縮點火做比較。

2.實驗操作時保特瓶需稍加固定,以免飛出。

3.若在保特瓶加入極少量的水或酒精,演示效果更佳。

4.瓶塞塞緊一點亦可提高演示效果

 

參考資料

“Fundamentals of Physics", 7th ed., John Wiley & Sons, 2005, New York. Ch20., D. Halliday, R. Resnick, J. Walker

 

絕熱過程有兩種:

一、利用絕熱材料,阻隔系統與環境的熱能交換。

二、過程夠快使系統來不及與環境交換熱能達到熱平衡。

 

製作

王中川

 

指導老師

朱慶琪、張宇靖

 

撰稿

黃時霖、朱慶琪、盧楷文