Как изменяется температура газа при расширении

Зависимость температуры газа от изменения объема объясняется, прежде всего, изначальным физическим смыслом самого понятия температуры, которое связано с интенсивностью движения частиц газа.

Физика температуры

Из курса молекулярной физики известно, что температура тела, несмотря на то что она является макроскопической величиной, связана, в первую очередь, с внутренним строением тела. Как известно, частицы любого вещества находятся в постоянном движении. Вид данного движения зависит от агрегатного состояния вещества.

Если это твердое тело, то частицы колеблются в узлах кристаллической решетки, а если это газ, то частицы свободно перемещаются в объеме вещества, соударяясь друг с другом. Температура вещества пропорциональна интенсивности движения. С точки зрения физики, это означает, что температура прямо пропорциональна кинетической энергии частиц вещества, которая, в свою очередь, определяется величиной скорости движения частиц и их массой.

Чем больше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия частиц. Этот факт отражается в формуле для кинетической энергии идеального газа, равной произведению концентрации частиц, постоянной Больцмана и температуры.

Влияние объема на температуру

Представьте себе внутреннее строение газа. Газ можно считать идеальным, что означает абсолютную упругость столкновений молекул друг с другом. Газ имеет определенную температуру, то есть определенную величину кинетической энергии частиц. Каждая частица ударяется не только с другой частицей, но и со стенкой сосуда, ограничивающего объем вещества.

Если объем газа увеличивается, то есть газ расширяется, то количество столкновений частиц со стенками сосуда и друг с другом уменьшается из-за увеличения свободного пробега каждой молекулы. Уменьшение количества столкновений ведет к спаду давления газа, однако общая средняя кинетическая энергия вещества не меняется, ибо процесс соударения частиц никак не влияет ее величину. Таким образом, при расширении идеального газа температура не изменяется. Данный процесс называется изотермическим, то есть процессом с постоянной температурой.

Обратите внимание, что данный эффект постоянства температуры при расширении газа основан на предположении его идеальности, а также на том, что при соударении частиц со стенками сосуда частицы не теряют энергию. Если же газ не идеальный, то при его расширении уменьшается количество столкновений, приводящих к потере энергии, спад температуры становится менее резким. Практически данная ситуации соответствует термостатированию вещества газа, при котором снижаются энергетические потери, вызывающие уменьшение температуры.