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焦耳过程中气体温度的变化---从郭朝晖先生的一篇文章谈起

已有 1123 次阅读 2019-5-14 14:01 |个人分类:物理学史|系统分类:科普集锦

几天前,博主在观察者网看到郭朝晖先生的一篇非常好的文章。

郭朝晖:为什么并非技术“先进”就值得去做

这篇文章非常好。其实他说的本来应该是常识,可是高校里很多人是不懂的,当然也可能是为了利益假装不懂。

不过,最让博主感兴趣的是他文章里提到的一个高中物理题:


Screenshot2.png


对郭老师的答案,博主表示怀疑。是的,能量是不变,但是体积变了。除非是无相互作用的理想气体,博主想不出来为什么温度一定保持不变。直觉上,温度降低最容易发生。一般而言,气体分子的相互作用势能曲线有一个长的尾巴,在气体体积扩大时,分子间的平均距离从r1增加到r2,势能增加,动能也就减小,温度也就降低。

微信图片_20190514132642.jpg

但是,原则上,气体分子间的相互作用势也可能是下面的样子:

微信图片_20190514132332.jpg

这样,在分子间平均距离增加时,势能降低,动能增加,气体温度上升。

后来,博主又进行了一番调研,发现气体问题上升,下降,保持不变都有可能。

这道题涉及到的这个过程是所谓的joule过程,joule的这个实验在一般的热力学教材里都有介绍。joule本人的原始文章如下:

Screenshot.png

joule的实验室在1844年,当时他关心的是热的本质。他发现如果压缩空气,空气温度上升,但是如果让一个瓶子里的压缩空气往另外一个真空瓶里膨胀,空气温度不变。这非常支持他的热功当量学说---在前一个情况,外界对空气做功了,功转化为热量;在第二个情况,空气没有对外界做功,所以温度不变。joule是把装置浸没在水中,测水的温度变化。但是水的比热非常大,在第二个过程中空气微小的温度变化不足以引起水的温度发生可观测的变化。这对joule可能是个幸运的事情。不然,气体在完全不做功的情况下温度发生变化这一现象也许会对joule造成很大困扰。

在joule expansion的wiki页面,有提到对于真实气体,在发生自由膨胀后,气体温度上升和下降都有可能。特别的,存在一个焦耳反转温度(jourle inversion temperature,当然其实应该也与前后的体积有关),在高于这个温度时,自由膨胀后气体温度上升而不是下降。对氢气,这个温度是200K;对氦气,这个温度是40K。

1993年,两个法国人Goussard和Roulet曾专门在美国物理杂志上发表文章强调温度上升的可能。

他们的文章在这里:

goussard1993.pdf  

非常有趣,可读性很强的文章!


注1:一番调研下来,有个物理学史方面的问题让博主产生了强烈兴趣,什么时候人们意识到温度不等于能量的?这个问题且容博主慢慢研究。



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