Lorsque nous nous demandons pourquoi l'air se dilate avec la chaleur, il est comme demander pourquoi le volume est fonction de la température. La réponse est parce que la chaleur dans un gaz est l'énergie cinétique aléatoire des molécules. La pression est le résultat de l'énergie cinétique dans une direction, de sorte qu'une augmentation de la chaleur conduit à une augmentation de la pression, ce qui conduit à une expansion contre l'environnement.
Kinetic Energy and Heat
L'énergie cinétique d'une molécule d'air est égale à sa translation (avant-vitesse) l'énergie cinétique ainsi que son énergie de rotation plus son énergie vibratoire. Pour simplifier l'argument, nous allons concentrer uniquement sur les molécules de gaz monoatomiques, de sorte que nous avons seulement à penser à l'énergie cinétique de translation, ce qui équivaut à la moitié des temps de masse de l'atome le carré de sa vitesse. Le plus vite les atomes d'air vont, plus l'énergie qu'ils ont avec qui faire le travail et pousser contre leur environnement. Ainsi, une plus grande énergie cinétique signifie plus de la température, ce qui entraîne davantage de pression ressentie par le milieu contenant le gaz.
Expansion et refroidissement
Tout comme le chauffage d'un gaz conduit à une expansion par rapport à ses environs, la détente du gaz entraîne son refroidissement. Par exemple, le dioxyde de carbone liquide libéré d'un extincteur se transforme en un gaz très cool. Pourquoi ne pas simplement la pression descendre? Un gaz en expansion ne fonctionne déplacer ses environs de la route. Travail, qui est l'application d'une force pour les objets se déplacent sur une distance, est un type d'énergie. Par la loi de conservation de l'énergie, l'énergie ailleurs doit descendre. Dans le cas de l'extincteur, le gaz de dioxyde de carbone perd de l'énergie cinétique. Ainsi, sa température descend.
Une distinction entre la pression et de la température
Si le chauffage provient de l'énergie cinétique plus élevée, alors pourquoi la pression et la température se sentent différents? Par exemple, en touchant un capot de voiture chaude se sent différent d'attraper une balle de baseball avec votre main nue. Les deux conférer une énergie cinétique, mais se sentent très différents. Et la tenue de votre main par la fenêtre de la voiture dans le vent se sent réellement cool, pas chaud.
Équilibre
Pour aider à comprendre cette distinction, elle aide à comprendre la différence entre l'équilibre de la pression et de l'équilibre de température. Un piston mobile séparant deux gaz dans une boîte se déplace jusqu'à ce que les pressions sur les deux côtés sont égaux. En d'autres termes, les énergies cinétiques moyennes multiplié par le nombre de molécules par volume est égale des deux côtés. Mais l'équilibre thermique n'a pas nécessairement été encore atteint.
Il peut être démontré que la température d'équilibre ne sera pas atteint jusqu'à ce que l'énergie cinétique moyenne par molécule est la même entre les deux espèces (par opposition à l'égalité après avoir multiplié par la masse volumique). Ceci pourrait nécessiter plus de déplacement du piston afin de maintenir un équilibre de pression, lorsque les gaz se rapprochent l'équilibre.
The Bottom Line
L'essentiel est que vous pouvez avoir un équilibre de pression sans équilibre thermique. Bien que la pression et la chaleur sont des fonctions d'énergie cinétique, un équilibre de pression peut être obtenue par une augmentation de la densité, sans transfert de l'énergie cinétique se soit produite. Par conséquent, bien qu'une augmentation de l'énergie cinétique conduit à une augmentation de la température et de la pression, une augmentation de la pression ne doit pas conduire à une augmentation de l'énergie cinétique. Il peut aussi conduire à une augmentation de la densité.