什么是理想气体绝热自由膨胀？

Question

如题所述

Answer 1

理想气体绝热自由膨胀过程在大学物理中没有过多涉及，可能只是作为一道习题出现。

例题1  理想气体向真空做绝热膨胀，则（A）膨胀后，温度不变，压强减小；  （B）膨胀后，温度降低，压强减小；（C）膨胀后，温度升高，压强减小；  （D）膨胀后，温度不变，压强不变。

答案：（A）理想气体向真空自由膨胀不做功

但是，在高中物理中对这一过程有很多讨论。对于高中生来讲，热力学第一定律、做功等概念都接触过，数学上没有难度。但对于理想气体绝热自由膨胀过程不做功这样的结论接受起来还是有点困难。

可以从以下几个方面理解理想气体绝热自由膨胀过程为什么不做功这个问题。

1.  理想气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程。

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。所以理想气体绝热自由膨胀过程不能用PV图表示。准静态过程PV图曲线下面积等于做功的说法不成立。

2.  理想气体绝热自由膨胀过程满足热力学第一定律。

由热力学第一定律，理想气体绝热自由膨胀过程为绝热过程：Q=0；又由于气体向真空自由膨胀，即不受阻力，所以 W=0；对于理想气体内能只是温度的函数，所以E2-E1=0。即理想气体绝热自由膨胀后温度将恢复原来的温度。（对于实际气体,温度一般不会恢复到原来温度）

3.  理想气体绝热自由膨胀过程前后温度不变，但整个过程并不是等温过程。

4.  理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆过程。

理想气体绝热自由膨胀后，我们仍可用活塞将气体等温压缩，使气体回到初始状态。不过,此时我们必须对气体做功。所以理想气体绝热自由膨胀过程是不可逆过程。

5.  理想气体绝热自由膨胀过程是扩散过程。

如果气体对外界做正功，则外界对气体做负功。如果气体对外界做正负，则外界对气体做正功。不管气体对外界做正功还是负功，都能找到相应的外界对气体的功。现在外界对气体没有作用力，所以外界对气体不做功，因此气体对外界也不做功。气体自由膨胀属于扩散，扩散是由内力造成的，因此气体不受外力作用，外力不做功。