Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Джоульдік кеңею (еркін кеңеюдің бір түрі) – термодинамикадағы қайтымсыз процесс, онда газ көлемі жылу оқшауланған ыдыстың бір жағында (шағын бөлік арқылы) ұсталады, ал ыдыстың екінші жағы бос қалдырылады. Содан кейін ыдыстың екі бөлігі арасындағы бөлік ашылады және газ бүкіл ыдысты толтырады. Идеал газды қатыстыратын ой эксперименті ретінде қарастырылатын Джоульдік кеңею классикалық термодинамикада пайдалы жаттығу болып табылады. Ол термодинамикалық шамалардың өзгеруін есептеуге қолайлы мысал келтіреді, соның ішінде осы табиғатынан қайтымсыз процесс нәтижесінде туындайтын ғаламның энтропиясының артуын (энтропияның өндірілуін). Нақты Джоульдік кеңею эксперименті міндетті түрде нақты газдарды қамтиды; мұндай процесс кезіндегі температураның өзгеруі молекулалық күштердің шамасын анықтайды. Бұл кеңею түрі 1845 жылы жылудың механикалық эквивалентін зерттеуде осы кеңеюді қолданған Джеймс Прескотт Джоульдің есімімен аталады, бірақ бұл кеңею Джоульге дейін де белгілі болған, мысалы, Джон Лесли 19 ғасырдың басында және Джозеф Луи Гей-Люссак 1807 жылы Джоуль алған нәтижелерге ұқсас нәтижелермен зерттеген. Джоульдік кеңеюді Джоуль-Томсон кеңеюімен немесе газдың жоғары қысымнан төмен қысымға клапан немесе кеуекті бөлік арқылы үздісіз ағынымен сипатталатын процесспен шатастыруға болмайды.
The Joule expansion (a subset of free expansion) is an irreversible process in thermodynamics in which a volume of gas is kept in one side of a thermally isolated container (via a small partition), with the other side of the container being evacuated. The partition between the two parts of the container is then opened, and the gas fills the whole container. The Joule expansion, treated as a thought experiment involving ideal gases, is a useful exercise in classical thermodynamics. It provides a convenient example for calculating changes in thermodynamic quantities, including the resulting increase in entropy of the universe (entropy production) that results from this inherently irreversible process. An actual Joule expansion experiment necessarily involves real gases; the temperature change in such a process provides a measure of intermolecular forces. This type of expansion is named after James Prescott Joule who used this expansion, in 1845, in his study for the mechanical equivalent of heat, but this expansion was known long before Joule e. g. by John Leslie, in the beginning of the 19th century, and studied by Joseph Louis Gay Lussac in 1807 with similar results as obtained by Joule. The Joule expansion should not be confused with the Joule–Thomson expansion or throttling process which refers to the steady flow of a gas from a region of higher pressure to one of lower pressure via a valve or porous plug.
Сипаттама
Процесс белгілі бір қысыммен, температурамен, жылу оқшауланған контейнердің жартысына шектелген газбен басталады (осы мақаланың басындағы суреттің жоғарғы бөлігін қараңыз). Газ бастапқы көлемді алып жатыр , контейнердің екінші бөлігінен механикалық түрде бөлінген, оның көлемі және нөлге жуық қысымда. Контейнердің екі жартысы арасындағы кран (қатты сызық) кенеттен ашылады, және газ бүкіл контейнерді толтыру үшін кеңейеді, оның жалпы көлемі (суреттің төменгі бөлігін қараңыз). Сол жақтағы бөлікке енгізілген термометр (суретте көрсетілмеген) кеңею алдындағы және одан кейінгі газ температурасын өлшейді. Бұл эксперименттегі жүйе екі бөліктен де тұрады, яғни эксперимент соңында газ алып жатқан бүкіл аймақ. Бұл жүйе жылу оқшауланғандықтан, сыртқы ортамен жылу алмаса алмайды. Сонымен қатар, жүйенің жалпы көлемі тұрақты сақталғандықтан, жүйе сыртқы ортада жұмыс істей алмайды. Нәтижесінде, ішкі энергияның өзгеруі нөлге тең. Ішкі энергия ішкі кинетикалық энергиядан (молекулалардың қозғалысына байланысты) және ішкі потенциалдық энергиядан (молекулааралық күштерге байланысты) тұрады. Молекулалық қозғалыс кездейсоқ болғанда температура ішкі кинетикалық энергияның өлшемі болып табылады. Бұл жағдайда ішкі кинетикалық энергия жылу деп аталады. Егер камералар тепе-теңдікке жетпесе, термометрмен анықталмайтын (сондықтан жылудың құрамы емес) ағынның кинетикалық энергиясы болады. Осылайша, температураның өзгеруі кинетикалық энергияның өзгеруін көрсетеді, және бұл өзгерулердің кейбіреулері жылулық тепе-теңдік қайта орнатылмағанша жылу ретінде көрінбейді. Жылу ағынның кинетикалық энергиясына ауысқанда, температураның төмендеуіне себеп болады. Іс жүзінде, екі камералы еркін кеңею эксперименті көбінесе "кезеңдік бөгет" (porous plug) кіреді, арқылы кеңейіп жатқан ауа төменгі қысым камерасына жету үшін өтуі керек. Бұл бөгеттің мақсаты – бағытталған ағынды тежеу, соның арқасында жылулық тепе-теңдікті қайта орнатуды жеделдету. Жалпы ішкі энергия өзгермегендіктен, қабылдау камерасындағы ағынның тоқтауы ағынның кинетикалық энергиясын қайтадан кездейсоқ қозғалысқа (жылуға) айналдырады, сондықтан температура күтілген мәнге дейін көтеріледі. Егер бастапқы ауа температурасы идеалды емес газдың қасиеттеріне байланысты конденсацияны тудыратынша төмен болса, ішкі энергияның бір бөлігі сұйық өнімдерде жасырын жылуға (потенциалдық энергияның өтемалдаушы өзгеруі) айналады. Осылайша, төмен температурада Джоульдің кеңею процесі молекулааралық күштер туралы ақпарат береді.
The process begins with gas under some pressure, , at temperature , confined to one half of a thermally isolated container (see the top part of the drawing at the beginning of this article). The gas occupies an initial volume , mechanically separated from the other part of the container, which has a volume , and is under near zero pressure. The tap (solid line) between the two halves of the container is then suddenly opened, and the gas expands to fill the entire container, which has a total volume of (see the bottom part of the drawing). A thermometer inserted into the compartment on the left (not shown in the drawing) measures the temperature of the gas before and after the expansion. The system in this experiment consists of both compartments; that is, the entire region occupied by the gas at the end of the experiment. Because this system is thermally isolated, it cannot exchange heat with its surroundings. Also, since the system's total volume is kept constant, the system cannot perform work on its surroundings. As a result, the change in internal energy, , is zero. Internal energy consists of internal kinetic energy (due to the motion of the molecules) and internal potential energy (due to intermolecular forces). When the molecular motion is random, temperature is the measure of the internal kinetic energy. In this case, the internal kinetic energy is called heat. If the chambers have not reached equilibrium, there will be some kinetic energy of flow, which is not detectable by a thermometer (and therefore is not a component of heat). Thus, a change in temperature indicates a change in kinetic energy, and some of this change will not appear as heat until and unless thermal equilibrium is reestablished. When heat is transferred into kinetic energy of flow, this causes a decrease in temperature. In practice, the simple two chamber free expansion experiment often incorporates a 'porous plug' through which the expanding air must flow to reach the lower pressure chamber. The purpose of this plug is to inhibit directional flow, thereby quickening the reestablishment of thermal equilibrium. Since the total internal energy does not change, the stagnation of flow in the receiving chamber converts kinetic energy of flow back into random motion (heat) so that the temperature climbs to its predicted value. If the initial air temperature is low enough that non ideal gas properties cause condensation, some internal energy is converted into latent heat (an offsetting change in potential energy) in the liquid products. Thus, at low temperatures the Joule expansion process provides information on intermolecular forces.
Нақты газ әсері
Жоуль өз тәжірибесін бөлме температурасындағы, шамамен 22 бар қысыммен кеңейтілген ауамен жүргізді. Осы жағдайларда ауа дерлік идеал газ, бірақ толық емес. Сондықтан, температураның нақты өзгеруі дәл нөлге тең болмайды. Ауаның термодинамикалық қасиеттері туралы қазіргі білімімізбен, ауаның көлемі адиабатикалық жағдайда екі еселенген кезде температурасы шамамен 3 градус Цельсийге төмендеуі керек екенін есептей аламыз. Дегенмен, ауаның төмен жылу сыйымдылығы және берік мыс ыдыстар мен калориметр суының жоғары жылу сыйымдылығы салдарынан, байқалатын температураның төмендеуі өте аз болды. Сондықтан Жоуль температураның өзгеруі өлшеу дәлдігі шегінде нөлге тең екенін анықтады.
Joule performed his experiment with air at room temperature which was expanded from a pressure of about 22 bar. Air, under these conditions, is almost an ideal gas, but not quite. As a result the real temperature change will not be exactly zero. With our present knowledge of the thermodynamic properties of air we can calculate that the temperature of the air should drop by about 3 degrees Celsius when the volume is doubled under adiabatic conditions. However, due to the low heat capacity of the air and the high heat capacity of the strong copper containers and the water of the calorimeter, the observed temperature drop is much smaller, so Joule found that the temperature change was zero within his measuring accuracy.