¿Por qué los gases de alta presión almacenados en contenedores no pierden energía?

Los gases en recipientes a altas presiones tienen esas presiones porque hay más moléculas en ellos que en el mismo recipiente a presión atmosférica, no porque haya una diferencia entre las energías moleculares. A la misma temperatura, dos recipientes con diferente número de moléculas en ellos tienen la misma distribución de probabilidad de energías.

La diferencia de presión se debe a la diferencia entre las frecuencias de colisión con las paredes en cada caso, siendo la frecuencia de colisión proporcional al número de moléculas.

Pregunta de OP

Aun así, ¿no debería disiparse la energía almacenada con el tiempo? Puede dejar salir el gas a alta presión para que haga trabajo, de modo que se almacene energía.

En primer lugar, parece que puede estar confundiendo la temperatura con la concentración de energía (energía por volumen). La temperatura se trata completamente de la distribución de probabilidad de las partículas de un sistema, no de cuánta energía total hay. Probaré el siguiente argumento para tratar de mostrar por qué es la diferencia de temperatura entre el gas y su entorno, y no la concentración de energía, lo que determina si la energía escapa a través del flujo de calor, que es la única forma en que puede escapar si la botella está sellada.

Piense en las cosas desde el punto de vista de una partícula. De vez en cuando choca con otras partículas de gas y también con las partículas termalizadas que forman las paredes de la botella. A veces, estas partículas tendrán más energía que nuestra partícula solitaria, a veces menos. Pero, a largo plazo, la tasa esperada de transferencia de energía de la partícula es cero: eso es lo que queremos decir, por definición, cuando decimos que el sistema está en equilibrio termodinámico. Esta tasa esperada cero depende totalmente de las distribuciones de probabilidadde las energías de las partículas del sistema, no depende de la frecuencia con la que chocan las partículas. Si solo hubiera una partícula de gas en la botella (por lo que tenía un vacío muy fuerte), su energía cinética media estaría determinada por las energías cinéticas de las partículas que forman la pared de la botella: alcanzaría un punto donde una colisión con el pared tenían la misma probabilidad de perder o ganar energía. Y esa energía esperada sería la energía media de las partículas en la pared. La energía no puede simplemente entrar precipitadamente porque está más concentrada en las paredes, la transferencia se rige por procesos pasivos estocásticos.

Hay dos formas de cambiar la energía interna de un gas, una es macroscópica, es decir, realizar trabajo sobre o por el gas, si el gas se expande o se contrae. La otra es microscópicamente a través del calor. Si el gas comprimido está a la misma temperatura que el gas exterior, estas colisiones microscópicas no darán como resultado un intercambio de energía, porque la distribución de la velocidad de las partículas es función de la temperatura, no de la presión, por lo que no es correcto. suponer que las partículas del interior del recipiente son más rápidas que las del exterior y, por lo tanto, no habrá transferencia neta de energía.

Parece que las partículas de alta velocidad colisionarían con las paredes de metal y transferirían lentamente su energía a las partículas más lentas fuera del contenedor.

El mecanismo que describe es correcto, pero debe tener en cuenta que la energía cinética promedio,$\langle K \rangle$, es solo proporcional a la temperatura:

Entonces (dado que el volumen es fijo y, por lo tanto, se descarta el trabajo macroscópico) habrá una transferencia de energía neta solo si la temperatura dentro del recipiente es diferente de la temperatura del ambiente exterior y si se permite la transferencia de calor (es decir, si las paredes de los contenedores no son adiabáticos).

re: "¿Por qué los gases de alta presión almacenados en contenedores no pierden energía?"

Pueden ganar y perder energía:

Se pierde energía (calor) de un gas a medida que se comprime (ya sea mediante compresión mecánica o mediante compresión de enfriamiento (por ejemplo, pasando un gas a través de un tubo que está sumergido en un líquido muy frío, como nitrógeno líquido).

Un gas gana energía (calor) cuando un gas muy frío se transfiere a un tanque más caliente (por ejemplo, especialmente de un tanque de alta presión a un tanque de baja presión que no está súper aislado).

La energía (calor) también se puede perder o ganar mientras un gas se almacena en un tanque a medida que fluctúan las temperaturas ambientales externas.