Адиабатическое расширение газа — это процесс, при котором газ расширяется без теплообмена с окружающей средой. При таком расширении энергия газа переходит только в работу. Изотермическое расширение газа, напротив, происходит при постоянной температуре. Теперь давайте разберемся, почему адиабата при расширении газа спадает круче, чем изотерма.
Вначале рассмотрим адиабатическое расширение газа. Ключевая идея заключается в том, что при адиабатическом процессе газ расширяется быстро и соответственно, температура газа падает. Объяснить это можно следующим образом: когда газ расширяется без теплообмена, тепло, которое имеется внутри газа, не имеет времени передаться с окружающей среде. Это значит, что энергия газа переходит только в механическую работу, выполняемую газом при его расширении. Другими словами, газ делает работу за счет своей внутренней энергии.
Когда газ расширяется, его молекулы «разделены» друг от друга, что означает, что средняя взаимодействующая сила между ними уменьшается. В следствие этого, молекулы газа движутся в среднем с большей средней скоростью, то есть с теплотой. Скорость движения молекул связана с их кинетической энергией, которая, в свою очередь, связана с температурой. Если молекулы движутся быстрее, то они имеют большую кинетическую энергию и соответственно, большую температуру.
Вспомним закон Гей-Люссака, который утверждает, что давление газа прямо пропорционально его температуре при постоянном объеме. Это означает, что если температура газа падает, то и его давление также падает. Именно это и наблюдается при адиабатическом расширении газа — с уменьшением объема газа его температура падает, следовательно, и его давление снижается.
Теперь перейдем к изотермическому расширению газа. В отличие от адиабатического расширения, при изотермическом процессе газ расширяется при постоянной температуре. То есть, при этом процессе теплообмен с окружающей средой происходит так, чтобы газ оставался на постоянной температуре. Изучение этого процесса важно, поскольку это позволяет лучше понять газовые законы и связь между давлением, объемом и температурой газа.
При изотермическом расширении газа, так же как и при адиабатическом расширении, происходит перераспределение энергии внутри газа. Разница заключается в источнике этой энергии — при изотермическом расширении газ получает энергию из внешнего источника, который поддерживает его постоянной температуры. Энергия подается в систему в виде тепла, чтобы компенсировать потери тепла при расширении газа.
Поскольку газ сохраняет постоянную температуру при изотермическом расширении, его давление уменьшается медленнее, чем при адиабатическом расширении. Вспомним, что при адиабатическом процессе температура газа падает, и соответственно, его давление снижается быстрее. В случае с изотермическим расширением, поддерживая постоянную температуру, газу необходимо получать тепло из внешнего источника, чтобы сохранить свою температуру, следовательно, его энергия сохраняется дольше, и его давление падает медленнее.
Таким образом, адиабатическое расширение газа спадает круче, чем изотерма, потому что в первом случае газу не подается тепло из внешнего источника, а во втором случае подается, чтобы поддерживать его постоянную температуру. Адиабатический процесс связан с более быстрым падением температуры газа, что влечет за собой более резкое снижение его давления. Изотермический процесс, напротив, связан с постоянством температуры газа и соответствующим медленным падением его давления.