【种花家务·物理】2-4-10气体在迅速膨胀和压缩时温度的变化——绝热变化

 【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第四章气体的性质

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】  

§4-10气体在迅速膨胀和压缩时温度的变化——绝热变化

【01】实验证明，气体被迅速地压缩时，它的温度会升高；而在迅速地膨胀时，温度却又会降低。

【02】例如，先在一个厚壁玻璃圆筒的底上放一块被乙醚稍微沾湿的棉花，使筒内产生具有爆发性的乙醚和空气的混合物。然后把活塞很快地从筒口向筒底推下去（图4·10）。这时，我们将看到，筒内发生了小小的爆炸，棉花开始燃烧起来。这种现象告诉我们，当筒内的混合物被很快地压缩时，温度急剧地上升。

【03】这一原理已经在技术上得到了广泛的应用。例如在狄塞耳内燃机里，汽缸中的空气被迅速压缩时，温度急剧升高，使喷入汽缸中的液体燃料达到燃点而燃烧起来（关于这种内燃机的工作情形，将在第八章中进行讨论）。

【04】那么怎样来解释这种现象呢？我们知道，物体温度的改变是跟内能的改变相互联系着的（见§2-2）。当气体被迅速地压缩时，它的温度开始升高，这表明气体的内能增加了。而气体内能的增加是由于外力对气体做了功的缘故。

【05】气体迅速膨胀时的温度降低现象也可以从下面的实验中看出。把水汽充入一个玻璃瓶里，瓶口用塞子塞紧，再把空气打入瓶中。当瓶内气体的压强增加到某一限度时，里面的空气就会推开塞子冲出来。这时瓶中的水汽开始冷却而凝成了雾（图4·11）。由此可见，当气体迅速膨胀时，它本身做了功，因而内能减少，温度降低。

【06】显然，气体被迅速地压缩时的变热和膨胀时的冷却现象，都是能量守恒定律的一种表现。

【07】利用气体迅速膨胀时温度的急剧降低现象，可以制取液态气体，关于这一点将在第七章中加以叙述。

【08】日常生活的经验告诉我们，一个物体跟周围物体以热传递的方式交换内能的过程是需要一段时间的。例如把水壶放在火炉上烧开水，或者使杯里的热水冷却，都要经过一段时间。如果时间大短，那么，物体之间的热交换实际上还来不及进行。当我们迅速地压缩气体或让气体迅速地膨胀时，气体状态的变化进行得如此地快，以致来不及跟周围的物体以热传递的方式交换内能【一般就说“没有热量的交换”】，这种过程叫做绝热过程。

【09】由于这时气体跟周围物体没有热量的交换，因此，对气体做功时，气体的内能增加；而当气体本身做功时，内能减少。

【10】一般说来，气体状态进行得很快的变化都可以当作是绝热过程。

【11】根据分子运动论，我们能够更清楚地解释气体在迅速压缩时的发热现象和迅速膨胀时的冷却现象。

【12】气体分子向静止不动的器壁撞击并从它上面弹回时，分子的速度和动能值在撞击前后是相等的。如果分子向朝着它们运动的活塞撞击，那么它们从活塞弹回时的速度和动能就要比撞击前大一些（这跟乒乓球碰在朝它打来的球拍上以后速度增大的情形类似），因为朝着气体分子运动的活塞把附加的能量传给了跟它发生碰撞的分子，因此，气体在受压缩时内能会增大。相反，如果分子向离开它们移动的活塞撞击，那末弹回时的速度和动能就要比撞击前小一些，因为这时分子推动活塞使之后退，把自己的一部分动能传给了活塞。所以说，膨胀时气体的内能减少。