Miksi kaasu viilenee laajetessaan?

okloreactor

Tämmöinen kysymys. Sen perusteella mitä tiedän termodynamiikasta on intuitiopohja jonka mukaan pitäisi käydä juuri toisinpäin, eli että laajeneminen lisää vapausasteita joita kaasun hiukkasilla voi olla, joka lisää entropiaa, joka lisää lämpöä?

30 kommenttia

Vastaukset

  • Kaasuhan laajentuu, kun se lämpenee. Kuumailmapallossahan ilmaa lämmitetään, jotta kaasu laajentuu ja kantaa paremmin ilmapalloa. Syy siihen miksi kaasu laajentuu on siinä että kaasun molekyylit saavat lisää kineettistä energiaa lämmöstä, mikä johtaa siihen että kaasun molekyylit kimpoilevat ympäriinsä vauhdikkaammin, mikä lisää painetta, mikäli kaasu on suljettu rajoitettuun tilaan.

    • tämä ei tainnut olla vastaus aloittajan kysymykseen..

      Termodynamiikan 1. PS sanoo: deltaU = Q + W, jossa Q on kaasuun tuotu lämpö, W on kaasuun tuotu työ ja deltaU on kaasun sisäenergian muutos. Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). Mikäli systeemi on lämpöeristetty, niin Q = 0 → deltaU = W < 0. Toisaalta deltaU = m*c*deltaT, josta ratkaistu deltaT < 0 eli kaasu jäähtyy. Energia kaasun laajenemiseen otetaan itse kaasusta.


    • martta00 kirjoitti:

      tämä ei tainnut olla vastaus aloittajan kysymykseen..

      Termodynamiikan 1. PS sanoo: deltaU = Q + W, jossa Q on kaasuun tuotu lämpö, W on kaasuun tuotu työ ja deltaU on kaasun sisäenergian muutos. Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). Mikäli systeemi on lämpöeristetty, niin Q = 0 → deltaU = W < 0. Toisaalta deltaU = m*c*deltaT, josta ratkaistu deltaT < 0 eli kaasu jäähtyy. Energia kaasun laajenemiseen otetaan itse kaasusta.

      Joo.

      Esimerkiksi moottorin sylinterissä työtahdin aikana kaasumolekyylit pommittavat seinämiä ja mäntää. Mäntä pääsee liikkumaan, jolloin siihen törmäävät molekyylit menettävät energiaansa törmäyksissä liikemäärän säilymislain mukaisesti. Männästä takaisin kimpoavien molekyylien nopeus on hieman laskenut ("rekyyli"). Näin molekyylien keskimääräinen liike-energia eli lämpötila laskee. Myös sylinterin tilavuus kasvaa. Lämpötila- ja tilavuusmuutosten takia paine laskee. Mäntä tekee työtä eli lämpöenergiaa muuntuu mekaaniseksi työksi.


    • Ilmiö toimii puristustahdin aikana toisin päin. Dieselissä ilman paine nousee 40 bar paikkeille ja lämpötila noin 500 C tietämiin. Tällöin sylinteriin pumpattava polttoaine syttyy jo itsestään ilman kipinää. Palaminen nostaa painetta ja lämpötilaa lisää ja työtahti voi taas alkaa.


    • martta00 kirjoitti:

      tämä ei tainnut olla vastaus aloittajan kysymykseen..

      Termodynamiikan 1. PS sanoo: deltaU = Q + W, jossa Q on kaasuun tuotu lämpö, W on kaasuun tuotu työ ja deltaU on kaasun sisäenergian muutos. Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). Mikäli systeemi on lämpöeristetty, niin Q = 0 → deltaU = W < 0. Toisaalta deltaU = m*c*deltaT, josta ratkaistu deltaT < 0 eli kaasu jäähtyy. Energia kaasun laajenemiseen otetaan itse kaasusta.

      "Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). "

      Hyvin mahdollista, mutta mikään fysiikan laki ei siihen pakota eikä aina niin olekaan. On täysin mahdollista että W=0.
      Esim viet avaruuteen maatakiertävälle radalle kaasua sisältävän astin, josta avaat painottomuudessa ja ilmattomassa avaruudessa luukut auki astian vastakkaisista päistä samaan aikaan. Millekään ei ko tilanteessa kaasu tee työtä, koska siellä ei nyt ole mitään jolle kaasu voisi työtä tehdä. Kaasu kuitenkin poistuu astiasta avaruuteen, laajenee paineen laskiessa ja jäähtyy samalla. Lämpöenergia kaasussa säilyy, mutta lämpötila ei säily.

      Tietysti jos lasket kaasun itselleen tekmää työtä voit asian määritellä niinkin että kaasun liike-energia kasvaa lämpöenergian laskiessa. Mutta molekyylien liike-energiaahan se lämpö oli alkujaankin, ja sikäli mikään ei muuttunut. Mikään pakko tällaista laskutapaa ei ole käyttää.
      Luukut pitää tietenkin avata molemmista päistä jottei astian liikemäärä muutu, eikä liike-energia sen mukana.


    • martta00 kirjoitti:

      tämä ei tainnut olla vastaus aloittajan kysymykseen..

      Termodynamiikan 1. PS sanoo: deltaU = Q + W, jossa Q on kaasuun tuotu lämpö, W on kaasuun tuotu työ ja deltaU on kaasun sisäenergian muutos. Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). Mikäli systeemi on lämpöeristetty, niin Q = 0 → deltaU = W < 0. Toisaalta deltaU = m*c*deltaT, josta ratkaistu deltaT < 0 eli kaasu jäähtyy. Energia kaasun laajenemiseen otetaan itse kaasusta.

      Ei kannata väittää niin kovasti asiasta, mistä ei ole kunnolla perillä.
      Olen pannut tämän muuten merkille jo aiemminkin, kun yrität esittää täällä asiantuntijaa.
      Tuot mm. ideaalikaasun kaavan tähän, vaikka kaasu saattaisi olla vaikkapa fermioni-plasmaa!


    • Katsos, ideaalikaasusi ei jäähdy laajetessaan!


  • Joo, jos on 1 kuutiometri +20c kaasua, ja se laajennetaan 2 kuutiometrin kokoiseksi, sen lämpötilaksi tulee +10c, jos kaassun lämpö olisi laajentamisen jälkeenkin +20c, oltais keksitty ikiliikkuja. Pitää vielä mainita että 1m3 +20c kaasua sisältää yhtä paljon lämpö energiaa kuin 2m3 +10c kaasua.

    • Jotain uutta termodynamiikkaako ?


  • Lämpötilahan mitattuna suureena perustuu hiukkasten liile-energiaan tai oikeammin törmäyksiin. Jos sama määrä hiukkasia siirretään (viiveettä ym. häviöittä) pikkupurkista isoon purkkiin, törmäily per aikayksikkö pidentyneiden matkojen takia harvenee eli elohopeakin pääsee jäähtymään (kun siihen harvemmin törmäillään). Tulee mieleen kaava pv = nRt, jossa n liittyy hiukkasmäärään, mutta jätän didaktisen haasteen ammattilaisille.

  • Ajattele infon määrää mitä yksi molekyyli säteilee ympäristöönsä. Mitä tiheämmln molekyylit ovat, sitä tiheämmin infoa niistä tulee kohti lämpömittaria ja sitä isompaa lämpötilaa mittari kaasulle näyttää.
    Eli mitä tiheämmin infoa / energiaa elohopean sisälle työntyy, sitä enemmän se lämpölaajenee jne.

  • "Tämmöinen kysymys. Sen perusteella mitä tiedän termodynamiikasta on intuitiopohja jonka mukaan pitäisi käydä juuri toisinpäin, eli että laajeneminen lisää vapausasteita joita kaasun hiukkasilla voi olla"

    Ei muuten lisää.

    ", joka lisää entropiaa, joka lisää lämpöä?"
    Kun kaasu laajetessaan jäähtyy, ei mikään lisää lämpöä, eikä sitä välttämättä myöskään vähennä, mikäli kaasu ei tee laajetessaan työtä.
    Sotketkohan nyt lämmön ja lämpötilan toisiinsa?
    Edellisellä tarkoitetaan lämpöenergiaa, mikä on aivan eri suure kuin lämpötila.

    • Jos lämpöä ei tuoda eikä viedä ja kaasu laajenee ja sen lämpötila laskee moolimäärän pysyessä samana, mihin se lämpöenergia on hävinnyt ?
      Koska energia ei häviä (kuulemma), lämmön on täytynyt muuttua joksikin muuksi energiaksi ja eipä tuossa tule mieleen muita kuin mekaaninen työ.


    • Jatkokysymys kirjoitti:

      Jos lämpöä ei tuoda eikä viedä ja kaasu laajenee ja sen lämpötila laskee moolimäärän pysyessä samana, mihin se lämpöenergia on hävinnyt ?
      Koska energia ei häviä (kuulemma), lämmön on täytynyt muuttua joksikin muuksi energiaksi ja eipä tuossa tule mieleen muita kuin mekaaninen työ.

      Lämpöenergiaa ei ole hävinnyt vaan se on säilynyt lämpötilan laskiessa. Ominaislämpökapasiteetti muuttuu, ja lämpötilan ja -energian välinen suhde sen mukana.


  • Bulls*it!
    Entropian lisääntyminen ei johda lämpötilan lisääntymiseen!

    • Sehän eskaloituu jodin entropian johdosta ammunjakiksi


  • Eli ymmärsinkö nyt oikein: lämmön lisääminen lisää vapausasteita, mutta ei VÄLTTÄMÄTTÄ toisinpäin?

    Entäs mikä on entropian ja informaation täsmällinen suhde? Mittaako entropia nimenomaan puuttuvaa tai piilotettua informaatiota, siinä missä erillinen informaation käsite mittaa nimenomaan korkean tason järjestystä? Vai onko tämä suhde kellokäyrän muotoinen, eli vain ääritapauksissa informaatio ja entropia ovat toistensa vastakohtia?

  • "Termodynamiikan 1. PS sanoo: deltaU = Q + W, jossa Q on kaasuun tuotu lämpö, W on kaasuun tuotu työ ja deltaU on kaasun sisäenergian muutos. Kun kaasu laajenee, se tekee tilavuudenmuutostyötä W (negatiivinen). Mikäli systeemi on lämpöeristetty, niin Q = 0 → deltaU = W < 0. Toisaalta deltaU = m*c*deltaT, josta ratkaistu deltaT < 0 eli kaasu jäähtyy. Energia kaasun laajenemiseen otetaan itse kaasusta."

    Miksi kaasu viiilenee laajetessaan?

    Boylen lain mukaan ideaalikaasun tilavuus vakiolämpötilassa on kääntäen verrannollinen sen paineeseen. Gay-Lussacin lain mukaan taas kaasun tilavuus vakiopaineessa on suoraan verrannollinen sen lämpötilaan. Näiden kahden lain sekä Avogadron lain avulla johdetaan ideaalikaasun tilanyhtälö:

    pV = nRT.

    Suljettu järjestelmä. Jos ja kun kaasun ainemäärä (n) pysyy nyt ennallaan ja R on vakio,

    (1) T1 = p1V1/nR
    (2) T2 = p2V2/nR, jolloin

    vertailu supistuu lausekkeeseen

    T1/T2 = p1V1/p2V2, josta

    T1= T2p1V1/p2V2

    Jos kaasu laajenee, sen tilavuus kasvaa eli V2 > V1: samalla paine laskee eli p2 < p1 ja/tai lämpötila laskee eli T2 < T1.

    Edellisen perusteella kaasun ei tarvitse viilentyä, jos kaasun laajeneminen voidaan kompensoida paineen laskulla. Ellei pelkkä paineen lasku kompensoi tilavuuden muutosta, kaasu myös viilenee laajetessaan.

  • Vanhaa ketjua. mutta tähän käy helppo testi pingispallolla ja mailalla.
    Koska lämpö on molekyylien liikettä asiaa on helppo havainnoida noilla välineillä.
    Puristat kaasua: Pompotat palloa mailalla lattiaa vasten. lähennät mailaa kohtuu nopeasti, pallon like kiihtyy silminnähden. = ihan kuin molekyylit pommittaisi tehokkaammin ja se onkin lämpenemistä kun kaasua puristaa.
    Kaasun laajeneminen: Mailan etäännyttäminen harventaa pallon pomppimista ja ilmiö valitettavasti loppuu nopeasti kun energia loppuu pallosta. Mutta samalla tavalla molekyylien liike heikkenee ja kaasu jäähtyy, Liike ei tosin lopu kuten pallolla käy.

  • Kaksi viimeisintä ratkaisua ovat ristiriidassa keskenään. Kumpi on oikeassa? Onko lämpötila verrannollinen paineeseen koska kovassa paineessa molekyylit rummuttavat lämpömittaria tiheämpään tahtiin, vai voiko lämpötila säilyä samana paineen muuttuessa?

    • Jälkimmäisessä ratkaisussa ei esitetty mitään matemaattista muotoa ilmiölle, joten sen on aika vaikea sanoa olevan minkään kanssa ristiriidassa. Siinähän katsottiin analogian avulla yhden kaasuatomin (pingispallo) liikettä yksiulotteisessa tilanteessa.

      Tuossa edellisessä ratkaisussa 9.9.2018 11:46 kerrottiin miten asia menee termodynamiikan oppikirjan mukaan kolmiulotteisen kaasun tapauksessa.


  • Lämpötila on kaasun molekyylien liike-energian ilmentymä. Jos kaasu laajenee tyhjiössä eikä siis tee laajetessaan mitään työtä mitään vastusta vastaan, molekyylien liike-energiat eivät muutu mitenkään (Newton 1) ja kaasun lämpötila pysyy vakiona.Lämpötilahan on siis noiden molekyylien liikkeestä laskettavissa oleva suure.

    Avaruudessa on kaasuja miljoonien asteitten lämpötilassa mutta kaasu on niin harvaa ettei "tuntuisi" niin kuumalta.

    Jos kaasu laajetessaan tekee työtä, juttu on toinen. Siitähän tuolta ketjusta löytyy pakerrusta.

    • Mites tuo nyt on ?
      Edes avaruudessa ei voi olla kaasuja paineettomassa tilassa, siitä pitää huolen koheesio ja gravitaatio.
      Jos kaasun paine pienene, tilavuuden laajenemisen vuoksi, kaasu tekee aina työtä esimerkiksi edellä mainittuja voimia vastaan, ja koska myös paine on molekyylien liikettä, niin se, kuten lämpötilakin voi olla 0 vain kun liike loppuu, eli 0 K lämpötilassa.

      Avaruuden kuumat kaasut ovat lämpötilassa, joka vastaa säteily ja absorption tasapainoa, eli energiatasapainoa.


    • Anonyymi kirjoitti:

      Mites tuo nyt on ?
      Edes avaruudessa ei voi olla kaasuja paineettomassa tilassa, siitä pitää huolen koheesio ja gravitaatio.
      Jos kaasun paine pienene, tilavuuden laajenemisen vuoksi, kaasu tekee aina työtä esimerkiksi edellä mainittuja voimia vastaan, ja koska myös paine on molekyylien liikettä, niin se, kuten lämpötilakin voi olla 0 vain kun liike loppuu, eli 0 K lämpötilassa.

      Avaruuden kuumat kaasut ovat lämpötilassa, joka vastaa säteily ja absorption tasapainoa, eli energiatasapainoa.

      Aurinko on iso vetypallo, joka on energiatasapainossa vielä pitkään. Kun vety alkaa vähetä suhteessa fuusioreaktiona syntyvään heliumiin, A:n sisuksien paine kasvaa ja lopulta pallo räjähtää. Jäljelle jää valkoinen kääpiö.

      Jo 600-700 miljoonan vuoden päästä sisuksien paineen muutos kuumentaa Aurinkoa niin, että Maassa ei voi elää. Tuossa ajassa ehtii moni meteorikin toki käymään kylässä, joten kuumat paikat Maassa tulee muutenkin.

      Lycka till, ihmiskunta!


    • Anonyymi kirjoitti:

      Mites tuo nyt on ?
      Edes avaruudessa ei voi olla kaasuja paineettomassa tilassa, siitä pitää huolen koheesio ja gravitaatio.
      Jos kaasun paine pienene, tilavuuden laajenemisen vuoksi, kaasu tekee aina työtä esimerkiksi edellä mainittuja voimia vastaan, ja koska myös paine on molekyylien liikettä, niin se, kuten lämpötilakin voi olla 0 vain kun liike loppuu, eli 0 K lämpötilassa.

      Avaruuden kuumat kaasut ovat lämpötilassa, joka vastaa säteily ja absorption tasapainoa, eli energiatasapainoa.

      Aurinko on iso vetypallo, joka on energiatasapainossa vielä pitkään. Kun vety alkaa vähetä suhteessa fuusioreaktiona syntyvään heliumiin, A:n sisuksien paine kasvaa ja lopulta pallo räjähtää. Jäljelle jää valkoinen kääpiö.

      Jo 600-700 miljoonan vuoden päästä sisuksien paineen muutos kuumentaa Aurinkoa niin, että Maassa ei voi elää. Tuossa ajassa ehtii moni meteorikin toki käymään kylässä, joten kuumat paikat Maassa tulee muutenkin.

      Lycka till, ihmiskunta!


    • Anonyymi kirjoitti:

      Mites tuo nyt on ?
      Edes avaruudessa ei voi olla kaasuja paineettomassa tilassa, siitä pitää huolen koheesio ja gravitaatio.
      Jos kaasun paine pienene, tilavuuden laajenemisen vuoksi, kaasu tekee aina työtä esimerkiksi edellä mainittuja voimia vastaan, ja koska myös paine on molekyylien liikettä, niin se, kuten lämpötilakin voi olla 0 vain kun liike loppuu, eli 0 K lämpötilassa.

      Avaruuden kuumat kaasut ovat lämpötilassa, joka vastaa säteily ja absorption tasapainoa, eli energiatasapainoa.

      Nyt rupesit hiuksia halkomaan. Tuskin aloittaja tässä gravitaatioon ja koheesion asti tarkoitti asiaa selitettävän. Jos minulla on litra kaasua esim. lämpötilassa T = 10^5 K ja se laajenee tyhjiöön kaukana kaikista gravitoivista massoista, niin ei sen oma sisäinen gravitaatio eikä koheesio juurikaan hidasta molekyylejä. Lämpötila säilyy, ainakin melkoisen tarkasti, kauan aikaa. Tietenkin kaasun oma gravitaatio jumalattoman pitkien aionien kuluttua on vähentänyt tuota lämpötilaa.

      Avaruudessa kuuma kaasupilvi on niin harvaa että jos siihen panee lämpömittarin niin harvoin yksikään molekyyli osuu siihen eikä mittari "aisti" tuota lämpötilaa. Käden saat työntää sinne huoletta. Kuitenkin molekyylien nopeudesta johdettu lämpötila voi olla hirmuinen.

      En kinaa tästä enempää. Laskeskele ihan rauhassa koheesiota!


    • Anonyymi kirjoitti:

      Nyt rupesit hiuksia halkomaan. Tuskin aloittaja tässä gravitaatioon ja koheesion asti tarkoitti asiaa selitettävän. Jos minulla on litra kaasua esim. lämpötilassa T = 10^5 K ja se laajenee tyhjiöön kaukana kaikista gravitoivista massoista, niin ei sen oma sisäinen gravitaatio eikä koheesio juurikaan hidasta molekyylejä. Lämpötila säilyy, ainakin melkoisen tarkasti, kauan aikaa. Tietenkin kaasun oma gravitaatio jumalattoman pitkien aionien kuluttua on vähentänyt tuota lämpötilaa.

      Avaruudessa kuuma kaasupilvi on niin harvaa että jos siihen panee lämpömittarin niin harvoin yksikään molekyyli osuu siihen eikä mittari "aisti" tuota lämpötilaa. Käden saat työntää sinne huoletta. Kuitenkin molekyylien nopeudesta johdettu lämpötila voi olla hirmuinen.

      En kinaa tästä enempää. Laskeskele ihan rauhassa koheesiota!

      "Jos minulla on litra kaasua esim. lämpötilassa T = 10^5 K ja se laajenee tyhjiöön kaukana kaikista gravitoivista massoista, niin ei sen oma sisäinen gravitaatio eikä koheesio juurikaan hidasta molekyylejä. Lämpötila säilyy..."

      Jos sinulla on litra kaasua avaruuden paineessa, niin ei se mihinkään laajene... jos painetta on enemmän, niin silloin laajenee ja lämpötila laskee!


    • Anonyymi kirjoitti:

      Nyt rupesit hiuksia halkomaan. Tuskin aloittaja tässä gravitaatioon ja koheesion asti tarkoitti asiaa selitettävän. Jos minulla on litra kaasua esim. lämpötilassa T = 10^5 K ja se laajenee tyhjiöön kaukana kaikista gravitoivista massoista, niin ei sen oma sisäinen gravitaatio eikä koheesio juurikaan hidasta molekyylejä. Lämpötila säilyy, ainakin melkoisen tarkasti, kauan aikaa. Tietenkin kaasun oma gravitaatio jumalattoman pitkien aionien kuluttua on vähentänyt tuota lämpötilaa.

      Avaruudessa kuuma kaasupilvi on niin harvaa että jos siihen panee lämpömittarin niin harvoin yksikään molekyyli osuu siihen eikä mittari "aisti" tuota lämpötilaa. Käden saat työntää sinne huoletta. Kuitenkin molekyylien nopeudesta johdettu lämpötila voi olla hirmuinen.

      En kinaa tästä enempää. Laskeskele ihan rauhassa koheesiota!

      Vastine oli edelliselle kirjoittajalle, ei avaajalle.

      Ei kai sillä ole merkitystä minkä niminen voima aiheuttaa painetta, esimerkkinä nyt vaikka oma ilmakehämme.
      Avaruudessa on tiettävästi kaasutihentymiä, joiden paine, lämpötila ja tiheys on aivan eri luokkaa kuin meidän ilmakehämme, jostain syystä ne vaan ovat muodostuneet ja pysyvä nipussa hajoamatta välittömästi.

      Toki voisin täydentää vajaata tietoani jos tunnet joitain muita syitä näihin ilmiöihin.


    • Anonyymi kirjoitti:

      Aurinko on iso vetypallo, joka on energiatasapainossa vielä pitkään. Kun vety alkaa vähetä suhteessa fuusioreaktiona syntyvään heliumiin, A:n sisuksien paine kasvaa ja lopulta pallo räjähtää. Jäljelle jää valkoinen kääpiö.

      Jo 600-700 miljoonan vuoden päästä sisuksien paineen muutos kuumentaa Aurinkoa niin, että Maassa ei voi elää. Tuossa ajassa ehtii moni meteorikin toki käymään kylässä, joten kuumat paikat Maassa tulee muutenkin.

      Lycka till, ihmiskunta!

      "
      Jo 600-700 miljoonan vuoden päästä sisuksien paineen muutos kuumentaa Aurinkoa niin, että Maassa ei voi elää."

      Lähde? Minä olen kuullut puhuttavan miljardista vuodesta.


  • Lämpötila on lämpöenergia/tilavuus
    Kun tilavuus kasvaa, pienenee lämpö.

Ketjusta on poistettu 1 sääntöjenvastaista viestiä.