2011年12月1日 星期四

絕熱過程 Adiabatic Processes(二)

化學原理啟迪263
1.     【例題】假設有個活塞容器所裝的樣品,在25下,含有5.00mol單原子的理想氣體,反應程序進行前的壓力是10.0atm。假設容器外的壓力比較低,是1.00atm,並且反應程序屬於可逆的。計算容器內的氣體樣品進行反應程序,最後的壓力和體積,並且計算這個程序所做的功。
2.     【解題】題目已經提供程序進行前與之後的壓力-初始壓力與最終壓力,因此我們將用這個方程式:
P1V1γP2V2γ
3.     其中,單原子氣體的γ數值是
γCp/Cv5/2R÷3/2R5/3
4.     因此我們得到
P1V15/3P2V25/3
5.     我們依據理想氣體定律,計算V1
V1nRT1/P1
(5.00mol)(0.08206 L atm/K mol)(298K)/(10.0atm)
12.2L
6.     現在我們可以解開V2
V25/3P1V15/3/P2
(10.0atm)(12.2L) 5/3/1.00atm
V248.6L
樣品進行絕熱過程之後的體積是48.6L
7.     我們可利用以下的公式計算「功」
ΔEwnCvΔT(5.00)(3/2R)(T2T1)
8.     但是我們要先依據理想氣體定律計算出T2
T2P2V2/nR
[(1.00atm)(48.6L)]÷[(5.00mol)(0.08206 L atm/K mol)]
118K
9.     因此
wΔE
(5.00mol)(3/2)(8.3145 J/K mol)(118K298K)
=-11,200J
10. 特別留意內能變化ΔE與功w的符號都是負號-,因為系統(容器內的氣體)擴張的時候,能量以功的形式流失了。
11. 特別留意,以上可逆的絕熱擴張程序例子,樣品的溫度從298K變為118K,這是非常劇烈的溫度改變。因為溫度大幅改變,所以氣體最後的體積遠小於等溫擴張程序,等溫擴張程序一直到最後溫度都保持在298K
12. 在可逆的等溫擴張程序,溫度永遠保持298K,程序進行前壓力P110.0atm並且V112.2L,程序進行後壓力變為P21.00atm,最後的體積是
V2P1V1/P2(10.0mol)(12.2L)/1.00atm122L
13. 這個擴張程序的功是
wnRTln(V2/V1)
=-(5.00mol)(8.3145 J/K mol)(298K)(122L/12.2L)
=-28,500J
14. 就像「等溫擴張」程序造成的「體積」改變幅度較「絕熱擴張」程序大,「等溫、可逆擴張」程序送到周遭的功也遠大於「可逆的絕熱擴張」程序。這兩種擴張程序的比較如下圖,它們反應前壓力P110.0atm,體積V112.2L
15. 特別留意,可逆、等溫擴張程序
P1V1P2V2
PVconstant
16. 另一方面,可逆、絕熱擴張程序
P1V1γP2V2γ
PVγconstant
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

徐弘毅:
1.     教科書假設有2個容器裝一樣多、一樣種類的理想氣體,當外在環境的壓力下降的幅度一樣時,保溫隔熱下的氣體擴張「體積」與做出來的「功」都比較小,不隔熱的氣體擴張「體積」與做出來的「功」比較大。
2.     不保溫隔熱的氣體擴張的「體積」與做出來的「功」與比較大是因為周遭有熱能提供給系統做功,所以,「『等溫擴張』的體積大於『絕熱擴張』的體積」這個結論是建立在一個客觀條件,周遭的溫度比系統高,不然周遭如何提供熱能給系統?
3.     同樣的實驗如果放到極冷的地方去進行,結果就會完全相反;如果周遭的溫度遠低於系統,當外在壓力下降,保溫隔熱的容器跟不保溫隔熱的容器相比,保溫隔熱的理想氣體因為熱能不流失,做的功會比較多、體積擴張也比較大。
4.     可逆的絕熱程序 PVγconstant壓力×體積熱容量比值=常數「絕熱過程」的體積V必須被「熱容量的比值r」調整,所以體積的擴張或壓縮確實受到一些限制。
5.     可逆、等溫擴張程序PVconstant,體積雖然不須要被「熱容量的比值r」調整,但是等溫擴張的「體積」會受到周遭溫度T的影響,依據理想氣體定律PVnRT,外在溫度T低於系統,也會使體積的擴張V受到限制。

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