帮助中学生理解绝热膨胀的文章

在给初三学生讲授云的形成时，我解释了绝热膨胀。

学生们最常问的问题是“空气膨胀时为什么温度会下降？”

学生们对绝热膨胀感到困难，但我发现Naver博客上很少有文章对此进行简单解释。

所以这次我打算写一篇关于绝热膨胀的文章。

1. 气体分子运动论

气体分子运动论是一种通过分子的运动来解释气体物理现象的理论。

初一时所学的内容包括扩散的内容。

香水的香气扩散到周围的过程是通过粒子的运动来解释的，这可以看作是气体分子运动论的入门。

气体分子运动论中最重要的要点是如何解释气体的某些物理性质。

气体分子运动论是假定满足以下假设的理想气体。

理想气体是满足物理规律但在现实中不存在的虚构气体。

1. 气体分子有质量，但没有体积。
2. 气体分子之间不相互作用。
3. 气体分子之间的所有碰撞都是完全弹性碰撞。
4. 气体在任何温度或压力下都不会液化或升华。
5. 气体分子的平均分子运动能量只与绝对温度成正比，与分子的大小、形状及种类无关。
[维基百科 - 气体分子运动论]

以上的1、2、3、4是为了在用分子运动解释物理现象时排除分子间的引力或分子自身的体积等其他物理因素。

因此，理想气体的物理特性仅与气体的压力(P)、气体的体积(V)、气体的绝对温度(T)有关。

气体的压力: P
气体的体积: V
气体的温度（绝对温度）: T

这里我们需要注意的是假设5。气体分子的平均分子运动能量只与绝对温度成正比。

之所以用“平均”这个词，是因为由于分子的运动是无秩序的，即使假设一个温度，气体中分子的速度也会不同。

无论如何，这句话意味着绝对温度(T)越高的气体，内部粒子的运动越活跃。

气体的温度越高，分子运动速度的“平均”越高；气体的温度越低，分子运动速度的“平均”越低。

了解这一点是理解绝热膨胀时温度下降的第一步。

2. 绝热膨胀的原因

绝热膨胀和绝热压缩统称为绝热变化。

之所以有“绝热”这个词，是因为空气体积变化时没有与外界的热量交换。

简单来说，就是没有对空气加热或冷却，而空气体积却增加或减少。

在大气中空气上下移动时，空气体积会发生变化。

这是因为气压发生变化。

由于空气也有重量，靠近地面的空气由于上方空气的压力而被压缩，因此气压较高。

从地面上升越高，上方压着的空气块越少，气压也越低。

如果地面上受热的空气上升，由于周围气压降低，会导致空气体积增大。

这种变化称为绝热膨胀。相反，位于高处的空气下降时会发生体积减小的绝热压缩。

例如，上图中如果升起一个装满氦气的大气球，该气球通常会在平流层附近爆裂并坠落。

到达平流层，气压急剧下降，气球从最初的桌子大小膨胀到一个房间的大小。

这种气球的大小变化也是绝热变化的一部分，因为气球的大小变化不是由热引起的。

3. 绝热变化与气体的温度变化

首先我们来看绝热膨胀发生时的情况。假设如下面的图中，气球或气体正在膨胀，这种膨胀是由于气体分子的运动。

分子推动气体边界并返回时速度会降低。

气体分子运动速度降低意味着温度降低。因此，气体膨胀时温度下降。

更简单地来说，若向一个可自由移动的物体扔一个棒球，当球返回时速度会如何？

物体会向后移动，碰撞后返回时速度显著降低。

如果在宇宙空间进行这种实验，物体会带着速度向棒球相反的方向移动。

此情况下由于棒球将运动能量分给物体，所以称其为“做功”。

如果如上述情况气体膨胀并推动周围气体，这时称气体对外做了功。

相反地，绝热压缩发生时，情况与上述完全相反。这时由于外部压力更高，气体被压缩，外部气体分子撞击使气体内部分子速度加快。这表现为温度上升。

可以想象下图中棒球与靠近的物体碰撞，会更容易理解。

4. 结论

上面的内容总结如下。

气体分子的运动能量（速度）和气体温度是成正比的。气体膨胀是由于气体内部分子推动外界空气，从而减少运动能量。
因此，绝热膨胀发生时气体温度降低。

下面的视频是从YouTube上取的，我认为这可以帮助理解。