熱力学の自由な拡張：真空への旅
joule拡張とも呼ばれる無料拡張 または断熱フリー拡張 、熱力学の魅力的な現象です。それには、ガスを真空に自発的に拡大します。そこでは、作業が行われず、周囲と熱が交換されません。
重要な特性の内訳は次のとおりです。
1。セットアップ：
*パーティションによって2つのコンパートメントに分割されたコンテナを想像してください。
* 1つのコンパートメントには特定の圧力と温度でガスが含まれていますが、もう1つのコンパートメントは完全な真空です。
*突然、パーティションが削除され、ガスが自由に真空に膨張できるようになります。
2。重要な機能：
* 作業が完了していません： 膨張は真空に発生するため、ガスの膨張に抵抗する外部圧力はありません。したがって、ガスによって作業は行われません。
* 熱交換なし： このプロセスは迅速に発生すると想定されており、ガスとその周囲の間の大幅な熱伝達を防ぎます。
* ボリュームの変更： ガスは、容器全体を満たすため、体積が大幅に増加します。
3。予期しない結果：
* 温度の変化なし： 驚くべきことに、理想的なガスの場合、自由な膨張により温度が変化しません。これは、ジェームズ・プレスコット・ジュールによって実験的に観察され、理想的なガスのボリュームに依存しない内部エネルギーの概念につながりました。
* エントロピーの増加： 内部エネルギーは一定のままですが、自由な膨張中にガスのエントロピーが増加します。これは、より大きな空間を占めるガス分子のランダム性と障害の増加を反映しています。
4。現実世界の意味：
* ガス行動の理解： 自由な拡張は、ロケットエンジンや超音速飛行などの真空に急速に拡大する状況でのガスの挙動を理解するのに役立ちます。
* エントロピーと不可逆性： エントロピーの概念と、自然界のプロセスの不可逆性との関係を強調しています。
5。制限：
* 理想的なガスの仮定： 温度変化のない概念は、理想的なガスに適用されます。分子間相互作用を伴う実際のガスは、自由な膨張中にわずかな温度変化を経験する可能性があります。
* 迅速な拡張： このプロセスは断熱的であると想定されています。つまり、熱交換は発生しません。ただし、実際には、特に拡張が遅い場合には、いくつかの熱伝達が発生する可能性があります。
本質的に、自由な拡張は、システム内の内部エネルギー、エントロピー、および体積変化の間の複雑な相互作用を強調しています。これは、一見単純な熱力学的プロセスでさえ、驚くべき洞察に富んだ結果につながる可能性があることの強力な例です。
