Hvorfor Air ekspanderer under fyring?

Når vi lurer på hvorfor luft utvider med varme, det er som å spørre hvorfor volum er en funksjon av temperatur. Svaret er fordi varmen i en gass er den tilfeldige kinetiske energien av molekylene. Trykk er et resultat av kinetisk energi i en retning, slik at en økning i varme fører til en økning i trykket, noe som fører til utvidelse mot omgivelsene.

Kinetic Energy og Heat

Den kinetiske energien til et luftmolekyl er lik dens translatoriske (forover-hastighet) kinetisk energi i tillegg til sin rotasjonsenergi pluss den vibrasjonsenergi. For å forenkle argument, la oss fokusere på bare monatomic gassmolekyler, slik at vi bare må tenke på translasjonell kinetisk energi, noe som tilsvarer halvparten av atom masse ganger kvadratet av dens hastighet. Jo raskere luft atomer går, jo mer energi de har med å gjøre arbeidet og presse mot sine omgivelser. Således betyr større kinetisk energi mer temperatur, hvilket resulterer i mer trykk følt av omgivelsene som inneholder gassen.

Utvidelse og kjøling

På samme måte som oppvarming av en gass som fører til utvidelse mot sine omgivelser, ekspansjon av gassen fører til dets avkjøling. For eksempel flytende karbondioksid frigjøres fra et brannslukningsapparat blir en veldig kul gass. Hvorfor ikke bare trykket går ned? En ekspanderende gass virker beveger dens omgivelser ut av veien. Arbeid, som er påføring av en kraft for å lage gjenstander bevege seg over en avstand, er en form for energi. Ved loven om bevaring av energi, må energien andre steder går ned. I tilfellet med den apparat, mister den karbondioksidgass kinetisk energi. Dermed går temperaturen ned.

Et skille mellom trykk og temperatur

Hvis oppvarming kommer fra høyere kinetisk energi, så hvorfor trykket og temperaturen føles annerledes? For eksempel berøre en varm bil hette føles annerledes fra å fange en baseball med håndflaten. Både formidle kinetisk energi, men føler meg veldig annerledes. Og holde hånden ut bilvinduet i vinden faktisk føles kjølig, ikke varm.

Equilibrium

Til å forstå dette skillet, hjelper det å forstå forskjellen mellom trykket likevekt og temperatur likevekt. Et bevegelig stempel som skiller to gasser i en boks vil bevege seg inntil trykkene på begge sider er like. Med andre ord, vil de gjennomsnittlige kinetiske energier ganger antallet molekyler pr volum være lik på begge sider. Men termisk likevekt har ikke nødvendigvis er nådd ennå.

Det kan vises at temperaturlikevekt ikke vil bli nådd frem til gjennomsnittlig kinetisk energi pr molekyl er den samme mellom de to arter (i motsetning til den likhet etter multiplikasjon med densiteten). Dette kan kreve flere forskyvning av stempelet for å opprettholde trykket likevekt, da de gasser som nærmer seg likevekt.

Bunnlinjen

Poenget er at du kan ha press likevekt uten termisk likevekt. Selv om trykk og varme er funksjoner av kinetisk energi, kan trykklikevekt oppnås ved økt tetthet, uten at en overføring i kinetisk energi etter å ha forekommet. Derfor, selv om en økning i kinetisk energi fører til en økning i temperatur og trykk, en økning i trykket behøver ikke å føre til en økning i kinetisk energi. Det kan også føre til en økning i tetthet.