15,1 тыс подписчиков
Сделаем опыт с воздушным огнивом, толстостенным прозрачным цилиндром из оргстекла, в который вставлен плотно прилегающий к стенкам поршень. Поместим в цилиндр маленькую прядь расправленной ваты, резко ударим рукой по поршню — и вата на мгновение вспыхивает! Воздух при таком быстром сжатии нагрелся до нескольких сотен градусов и не успел отдать тепло стенкам цилиндра.
Молекулярно-кинетическая теория так объясняет нагрев газа: когда молекула сталкивается с движущимся ей навстречу поршнем, она увеличивает свою скорость, а тем самым и кинетическую энергию. Эта добавочная энергия уже за счёт столкновений между молекулами постепенно перераспределяется между ними, средняя энергия молекул растёт, а значит температура газа повышается.
Кстати, о том, как нагревается при сжатии одномерный одноатомный газ, состоящий всего из одной молекулы, мы подробно рассказали в ролике «Что такое адиабатический инвариант?»
С макроскопической точки зрения работа, затраченная на сжатие газа, полностью идёт на увеличение его внутренней энергии, если можно пренебречь теплообменом газа с окружающей средой. Для этого сжатие должно происходить достаточно быстро, и такой процесс называется адиабатическим.
Главным применением адиабатического сжатия является предварительный нагрев воздуха в различных тепловых двигателях. В дизельном двигателе внутреннего сгорания воздух нагревается до такой температуры, что топливо воспламеняется само, а в бензиновом двигателе степень сжатия меньше, и топливную смесь приходится зажигать с помощью свечи.
Понятно, что в обратном процессе адиабатического расширения газ должен охлаждаться, и мы демонстрируем это, прокалывая шурупом баллончик со сжатым углекислым газом. Термодатчик показывает, что в струе расширяющегося газа температура шурупа понижается до –40°С. Процесс адиабатического расширения хладагента используется для получения низких температур и в обычном холодильнике.
А теперь возьмём воздушный шарик и резко растянем его над бесконтактным термодатчиком — и температура резины неожиданно увеличивается на 12°! Подождём, пока резина охладится до комнатной температуры, и теперь при быстром сокращении её температура падает на те же 12°. Получается, что резина ведёт себя совсем не так, как газ: при растяжении нагревается, а при обратном сжатии охлаждается. Это связано с необычным строением резины, которая состоит из множества переплетённых между собой макромолекул каучука длиной в несколько десятков тысяч звеньев, при этом звенья каждой молекулы находятся в непрерывном тепловом движении. И нам удалось с помощью простой механической модели продемонстрировать, как за счёт работы, совершаемой при растяжении резины, увеличивается кинетическая энергия молекул и тем самым температура резины в целом.
А ещё из нашего нового ролика «Адиабатический нагрев и охлаждение» вы узнаете об уравнении адиабаты и о том, какие опыты по адиабатическому сжатию и расширению воздуха можно сделать с помощью автомобильного насоса и пятилитровой пластиковой бутылки. Смотрите и не забывайте ставить лайки!
2 минуты
23 марта