Momento de un gas que se expande hacia una cámara de vacío en el espacio exterior

En cualquier momento habrá partículas moviéndose en cada dirección, rebotando en las paredes y cambiando de dirección. La presión sobre las paredes de la cámara se debe a este rebote.

Los que pasan por el agujero no son reflejados por la pared. Por lo tanto, aunque la presión se iguala rápidamente en toda la cámara izquierda, la fuerza en la pared del lado izquierdo es la presión multiplicada por toda la superficie, mientras que en la pared del lado derecho, la presión actúa sobre la superficie menos el tamaño de el agujero. Por lo tanto, transmite una fuerza total que no desaparece en la cámara del lado izquierdo.

Siempre que la cantidad de gas en la cámara del lado derecho sea pequeña, durante la fase transitoria no hay fuerza de compensación en la cámara del lado derecho. Toda la caja sólida, durante la fase transitoria, recibe un impulso total hacia la izquierda, y si no está conectada a ningún objeto (¿flotando en el vacío?) se moverá hacia la izquierda.

Cuando se igualan las presiones en ambas cámaras, la fuerza total sobre la caja sólida como un todo es cero. No solo eso, sino que dado que el gas ha dejado de moverse en su totalidad, la cámara del lado derecho finalmente le ha devuelto al gas todo el impulso que la cámara del lado izquierdo había recibido al principio, por lo que no queda impulso, ni en el gas ni en el sólido y todo movimiento macroscópico se detiene.

Pero la caja como un todo se habrá movido hacia la izquierda antes de detenerse, justo la cantidad necesaria para que el centro de masa de todo, la caja más el gas, se quede quieto.

Si la caja está sobre una mesa, por ejemplo, la fricción resistirá su movimiento, pero algo de impulso se transmite a la mesa y de los pies de la mesa al suelo.

Porque el gas imparte un retroceso transitorio al recinto.

No es diferente, en principio, a un perdigón que se dispara con una pistola de aire comprimido y golpea una malla soldada sobre la abertura del cañón. El aire en expansión fuerza el perdigón a lo largo del cañón provocando un retroceso. Cuando el balín golpea la malla, provoca un impulso en el arma en dirección opuesta al retroceso original. Terminamos con el centro de gravedad del arma / perdigón sin cambios, pero el arma se desplazará un poco hacia atrás y el perdigón se desplazará hacia adelante.

Lo que está hablando a menudo se denomina expansión libre adiabática de un gas o expansión Joule

Me gustaría citar la página Proceso adiabático de wikipedia.

Para una expansión libre adiabática de un gas ideal, el gas se contiene en un recipiente aislado y luego se le permite expandirse en el vacío. Debido a que no hay presión externa contra la cual se expanda el gas, el trabajo realizado por o sobre el sistema es cero. Dado que este proceso no implica transferencia de calor ni trabajo, la primera ley de la termodinámica implica que el cambio de energía interna neta del sistema es cero. Para un gas ideal, la temperatura permanece constante porque la energía interna solo depende de la temperatura en ese caso. Dado que a temperatura constante, la entropía es proporcional al volumen, la entropía aumenta en este caso, por lo que este proceso es irreversible.

Se puede encontrar una descripción extensa en la expansión de Joule (ver nota número 3).

Entonces, para concluir, ningún trabajo contra el medio ambiente durante la expansión significa que no hay cambio en cantidades tales como cantidad de movimiento, energía, temperatura...