一道超级物理难题，大家可以尝试一下，答对的我愿悬赏100，说到做到！

Question

在绝热的条件下，非理想气体对外膨胀，气体内能怎么变化？
解法一：根据热力学第一定律，对外膨胀，相当于对外做功，相当于外界对该气体做负功，因为没有热交换，所以内能减少。
解法二：对外膨胀，分子间距离增大，分子势能增大，因为温度不变，所以分子的平均动能不变，所以内能增大。
试问：解法一和解法二哪个正确，为什么，求详细解答！

Answer 1

解法一是正确的。因为你的依据——热力学第一定律没错，分析也站得住脚。
解法二是错的。第一个关于“对外膨胀，分子间距离增大，分子势能增大”的说法没错。但第二个关于"温度不变，所以分子的平均动能不变"的说法有误，因题目只告诉我们是在绝热的条件下，也就是说没有与外界进行热交换，并没有说温度不变。事实上气体的温度是要降低的，这样气体的总体能量（内能）是减少的。
内能概念：物体内部大量做热运动的粒子所具有的能叫做热能。其中包括系统内部所有分子的无规则运动动能和分子间相互作用势能。追问

请问为什么温度降低

追答

我前面的回答不妥，摘录《理想气体的绝热自由膨胀过程》一文，供参考。
摘要：本文讨论了理想气体绝热自由膨胀的特点，分析了其与等温膨胀过程、一般绝热过程的区别和联系。

关键词：理想气体、绝热自由膨胀、熵
1.理想气体的绝热自由膨胀过程的来历
理想气体的绝热自由膨胀过程是在1807年盖·吕萨克做过的气体自由膨胀实验，1845年焦耳又精确地重做了这个实验的基础上总结出来的。焦耳实验如图1所示。A部一被压缩气体、B部一真空、C一活门。整个容器放在水中，将C打开后，气体将整个容器充满。这里，气体进行的过程叫做“自由膨胀过程。”焦耳用温度计测量膨胀后水和气体的平衡温度，发现和膨胀前相同．这一方面说明膨胀前后气体的温度没有改变，另一方面说明水和气体没有发生热量交换，即气体进行的是绝热自由膨胀过程。
2.理想气体的绝热自由膨胀过程的特点
第一：由焦耳实验可知，气体向真空自由膨胀过程中不受外界阻力，所以外界不对气体做功。根据△U=Q+A．A结合该过程中A=0，Q=0以及△U=0即U1=U2在该过程中，气体膨胀前后体积V发生了变化，温度T未变。而上式表明，在这种情况下态函数内能U未变，这说明气体的内能仅是温度的函数而与体积无关。
第二：理想气体绝热自由膨胀前后理想气体的温度T未变，容易使学生误认为此过程为等温膨胀过程。并且绝热自由膨胀过程中，压强、体积两个量的变化关系的确与等温膨胀中这两个量的变化关系相同，即P2V2=P1V1。这是因为它们都满足理想气体状态方程:PV= RT
质量相同，温度一定，所以压强、体积的乘积是一定的．
但事实上绝热自由膨胀过程与等温膨胀过程完全不同。绝热自由膨胀过程中，气体与外界没有能量的交换，是一个孤立系统等温膨胀过程系统与外界存在能量交换，是非孤立系统。
虽然理想气体绝热自由膨胀后温度恢复，但整个过程并不是等温过程。因为等温膨胀过程是对准静态过程而言的，可以用P-V图上的一条实线来描述，而P-V图上的任何一点都对应着一个平衡态。理想气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程，除初，末态外，系统每一时刻都处于非平衡态。在非静态的过程中，处于非平衡态的气体内各处性质不均匀，没有统一确定的参量．所以非静态过程不能在状态图上用实线来描述。
文章来源：http://wenku.baidu.com/view/b36b9003de80d4d8d15a4f39.html

Answer 2

解法一，正确 就用根据热力学第一定律去分析 没有热交换，对外做功内能减少。
解法二错：第一：绝热 不是温度不变，而是不吸热也不放热，无热交换。第二：分子间距离增大，分子势能不一定增大，要看分子间的力是引力还是斥力。故 此路不通。追问

对于气体而言，分子间距越大，分子势能就是增大，因为气体的分子间距大于10R0

追答

势能增大，没错。但是平均动能你怎么判断，温度是要变化的，降低的，增加了势能，减少了动能，你有方法判断谁大谁小么？

追问

内能究竟是什么？比如说一个小球受重力做正功下落，如何体现其内能增大

追答

内能是 物体内所有分子的分子势能与分子动能的总和。是个微观的概念。
机械能是宏观状态具有的能。
物体只受重力下落，内能是不变的。如果有空气阻力，摩擦生热能能是要增加的。

追问

可是不是说外界对物体做正功物体内能增大吗？外界对小球做正功，小球内能应该增大啊

追答

好好看看书吧，你概念一塌糊涂。

Answer 3

分子间距离增大，分子势能增大，

没道理

距离和势能没一定的关系

 

温度不变，所以分子的平均动能不变              对

但：  这题温度会变

Answer 4

你的解法一正确
解法二不正确，不正确的原因是，分子间距增大，分子势能是变小的，而不是变大追问

对于非理想气体而言，分子间距在10r0以上，分子间距增大，分子势能就是增大的

追答

我没有说清楚
有一个平衡间距，r0 分子间距在这个距离时，分子间的势能是最小的，
比这个间距小或者比这个间距大时，分子的势能都会变大
但是 在不受其他外力作用下，物体只能自发的从高势能向低势能转化，而不是从低势能向高势能转化
所以，非理想气体对外膨胀，间距变大，势能是变小的，

追问

可是分子势能只与分子间距有关

追答

势能与 间距 和总分子数都有关系

追问

可是我这个问题中总分子数是不变的啊

追答

在本题中，总分子数不变，分子势能只与分子间距有关，这是正确的
但是能向外膨胀做功，说明，开始时的分子间距是小于r0的
分子间距变大，势能变小了

Answer 5

解法二，绝热不代表恒温！
简单点说，气体对外做功，内能减少！
分子势能是变大了，所以动能变小，动能的变化量要大于势能的变化量！追问

对我的解法一解法二详细分析一下哪个对好吗

追答

解法一是正确的！你解法一是从总体上看到了量的变化，得出宏观的结论！但是你从微观上解决时，混淆了概念，混淆了基本理论！所以……
坚持你自己认为的：分子间距离增大，分子势能增大！这是在超过平衡位置之后！在平衡位置之前到平衡位置这段距离里，相反！

追问

气体分子间距都是超过平衡位置十倍以上

追答

确切的说：分子间的距离与平衡距离的差越大，分子势能就越大！

追问

请问为什么温度降低

追答

对外做功，内能减少，势能增加，所以动能减少，温度是平均动能的宏观表现，所以温度降低！

Answer 6

解法一对，解法二错，因为温度不是不变。注意：绝热并不是温度就不变，而是与外界不发生热交换。温度的改变不仅仅与热传递有关，还和做功有关，对外做功了而且又没有热传递那么能量肯定减少，实际上温度是会降低了。楼主别混淆了绝热的概念。追问

请问为什么温度降低

追答

气体能量变化与做功和热传递有关，既然系统是绝热系统，那么传递的热量为零，而又因为膨胀对外做功，所以系统能量下降，内能减少，所以温度就降低了。（其实这个问题还涉及到气体自由度相关的概念与问题，在这里不多赘述了）