¿Cómo explica el hecho de que cuando el aire se expande libremente en una cámara al vacío desde una atmósfera a presión constante, su temperatura aumenta?

Me encontré con este papel:

Panadero, B. (1999). Una demostración fácil de realizar pero a menudo contraintuitiva de la expansión del gas. Diario americano de física, 67(8), 712-713. http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp/67/8/10.1119/1.19357

Y no entendí completamente la explicación. No puedo ver cómo esto es diferente del experimento de expansión libre de Joule sin cambio de temperatura.

Esencialmente, el autor del artículo dice que la atmósfera realiza trabajo sobre el gas y aumenta su energía interna. Esta es la razón del aumento de temperatura. Sin embargo, ¿esa lógica no conduciría también a un aumento de temperatura en la expansión libre de julios?

Cualquier idea sería muy apreciada.

Respuestas (1)

Hay una gran diferencia con el experimento habitual de Joules. Aquí el sistema no está aislado durante la expansión del gas en la cámara de vacío. Dos cosas entran en competencia en principio cuando se plantea un setup como el contemplado en el artículo que mencionas:

  • Si el gas tiene que trabajar para expandirse en la cámara más grande
  • ¿Hay algo del exterior que ayude a que el gas se expanda?

Tener una cámara al vacío trata con el punto 1 y nos dice que el gas no tiene que trabajar (y por lo tanto perder energía) para expandirse en la cámara y ganar espacio adicional. El hecho de que todo el sistema esté conectado a un pistón en contacto con la presión atmosférica nos dice que el sistema a) no está aislado yb) que la presión atmosférica "ayudará" a que el gas se expanda en la cámara.

Ahora, suponiendo una expansión casi estática, la presión sobre el pistón debe equilibrarse en todo momento durante el proceso de expansión. Básicamente, el pistón funcionará un poco cada vez que haya una caída de presión en el lado del gas (debido a una fuga en la cámara) para equilibrar las presiones nuevamente. Si el proceso es adiabático, el trabajo proporcionado por la atmósfera no tiene adónde ir y permanece en el gas como un aumento de temperatura/energía cinética.

Muchas gracias por tu explicación. Creo que ahora entiendo mucho mejor la situación. Sin embargo, todavía estoy un poco confundido. En la demostración en realidad no hay un pistón. Esa es una analogía que se usa para explicar por qué el gas se calienta. Realmente todo lo que sucede es que se abre una pequeña válvula y el aire puede regresar a la cámara. Supongo que ahora me pregunto por qué la lógica del pistón no se puede usar en el experimento de expansión libre de Joule: ( en.wikipedia.org/wiki/Joule_expansion ). ¿La presión en la parte izquierda no actuaría como un pistón y "ayudaría al gas a expandirse" hacia el lado derecho?
En la Fig.1 del artículo hay un pistón. Se modela en la derivación imponiendo el valor de la presión en el recipiente. Después de todo, cuando se alcanza el equilibrio, la densidad debe ser la misma en ambos compartimentos y, por lo tanto, la presión también. Ahora, el valor de la presión se impone en el lado izquierdo por la presión atmosférica y eso es todo. Tenga en cuenta que la calefacción proviene de la atmósfera que funciona, el gas no hace nada. En el experimento original de Joules, no hay un valor impuesto para la presión porque el sistema está totalmente aislado.
¡Gracias! El artículo describía la expansión libre de julios como gas que fluía de un recipiente de volumen constante a otro recipiente de volumen constante. Entonces, el recipiente que originalmente contiene gas pierde energía térmica en la expansión porque tenía que actuar como el pistón y hacer trabajo sobre el gas y el cambio neto de temperatura cero se debe solo a que los dos lados estaban en equilibrio térmico. Sin embargo, esto contradice mi libro de texto de física térmica Introducción a la física térmica de Daniel Schroeder, que describe que la expansión libre no tiene trabajo porque el gas no tiene nada que empujar. Mmm...
No, en el problema de expansión de Joules, el gas (como un todo) no funciona en absoluto para expandirse en el otro contenedor y, por lo tanto, su cambio de energía es cero. En el caso que señalas, no es el gas en la caja lo que funciona sino la atmósfera fuera del sistema a través de un pistón. Esto se debe a que, en este caso, el sistema {caja+gas} no está completamente aislado del exterior y, por lo tanto, no hay razón para que la energía permanezca igual.
¿Cómo explica el hecho de que cuando el aire se expande libremente en una cámara al vacío desde una atmósfera a presión constante, su temperatura aumenta?
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