Perche ' aria si espande con il calore?

Quando ci chiediamo perché l'aria si espande con il calore, è come chiedere perché il volume è funzione della temperatura. La risposta è perché il calore in un gas è il casuale energia cinetica delle molecole. Pressione è il risultato dell'energia cinetica in una sola direzione, quindi un aumento di calore porta ad un aumento della pressione, che conduce ad espansione contro i dintorni.

Energia cinetica e calore

L'energia cinetica di una molecola di aria equivale a sua traslazionale energia cinetica (velocità di avanzamento) + sua energia di rotazione + la sua energia vibrazionale. Per semplificare l'argomento, concentriamoci sulle molecole di gas monoatomico solo, così che dobbiamo solo pensare a energia cinetica traslazionale, che è uguale a massa di metà l'atomo volte il quadrato della sua velocità. Il più veloce si va gli atomi dell'aria, l'energia più hanno con cui lavorare e spingere contro l'ambiente circostante. Così, una maggiore energia cinetica significa più temperatura, che si traduce in maggiore pressione sentito dai dintorni contenente il gas.

Espansione e raffreddamento

Proprio come il riscaldamento di un gas conduce ad espansione contro suoi dintorni, espansione del gas conduce al suo raffreddamento. Ad esempio, liquido anidride carbonica liberata da un estintore si trasforma in un gas molto freddo. Perché non appena la pressione scende? Un gas in espansione funziona spostando l'intralcio dei suoi dintorni. Lavoro, che è l'applicazione di una forza per rendere gli oggetti muoversi sopra una distanza, è un tipo di energia. Dalla legge di conservazione dell'energia, l'energia altrove deve andare giù. Nel caso l'estintore, il gas dell'anidride carbonica perde energia cinetica. Così, la sua temperatura scende.

Una distinzione tra pressione e temperatura

Se il riscaldamento proviene da maggiore energia cinetica, quindi perché pressione e temperatura sento diversi? Ad esempio, toccando una capotta calda si sente diverso dalla cattura una palla da baseball con la mano nuda. Entrambi conferiscono energia cinetica, ma si sentono molto diversi. E tenendo la mano fuori dal finestrino nel vento si sente davvero fresco, non caldo.

Equilibrio

Per comprendere questa distinzione, aiuta a capire la differenza tra pressione di equilibrio e di equilibrio termico. Un pistone mobile che separa due gas in una casella si muoverà fino a quando le pressioni su entrambi i lati sono uguali. In altre parole, i tempi di energie cinetiche media il numero di molecole per ogni volume sarà uguale su entrambi i lati. Ma equilibrio termico non è necessariamente stata raggiunta.

Si può dimostrare che non essere raggiunto equilibrio di temperatura fino a quando l'energia cinetica media per molecola è la stessa tra le due specie (in contrasto con la parità dopo moltiplicando la densità). Questo potrebbe richiedere più lo spostamento del pistone per mantenere l'equilibrio di pressione, come l'equilibrio di approccio di gas.

La linea di fondo

La linea di fondo è che si può avere la pressione di equilibrio senza equilibrio termico. Anche se la pressione e calore sono funzioni di energia cinetica, equilibrio di pressione può essere ottenuta una maggiore densità, senza un trasferimento dell'energia cinetica che si è verificato. Pertanto, anche se un aumento dell'energia cinetica conduce ad un aumento di temperatura e pressione, un aumento della pressione non devono condurre ad un aumento in energia cinetica. Può anche portare ad un aumento nella densità.