Um gás realiza uma expansão adiabática, resfriando-se.
Explique fisicamente por que isso ocorre.
Explique fisicamente por que isso ocorre.
Passo 1
O enunciado diz que um gás sofre uma expansão adiabática e, como consequência, sua temperatura cai. O conteúdo aqui é termodinâmica, mais precisamente o estudo de processos adiabáticos. Para resolver vamos usar a primeira lei da termodinâmica e a relação entre energia interna e temperatura de um gás ideal.
Passo 2
A primeira lei da termodinâmica para um sistema fechado é
onde
é a variação da energia interna,
o calor trocado e
o trabalho realizado pelo gás. Num processo adiabático não há troca de calor, ou seja,
logo
Como o gás está se expandindo, ele realiza trabalho
, o que torna
negativo.
Passo 3
Para um gás ideal a energia interna está diretamente ligada à temperatura, pois
Se , então a temperatura
diminui. Em outras palavras, o gás “gasta” sua energia interna para empurrar o pistão (ou o meio externo) durante a expansão, e essa perda de energia cinética média das moléculas resulta em resfriamento.
Se
Passo 4
Do ponto de vista microscópico, ao expandir-se o gás empurra as paredes ou o pistão. Cada molécula que colide com a parede móvel transfere parte de sua energia cinética para ela, reduzindo sua própria velocidade média. Como a temperatura é medida pela energia cinética média, isso provoca a queda de temperatura.
Resposta
A expansão adiabática esfria o gás porque, sem troca de calor
, todo o trabalho que o gás realiza
vem da sua energia interna
, reduzindo a energia cinética média das moléculas e portanto diminuindo a temperatura.