✔ 最佳答案
依照你的敘述,在一個封閉系統內的空氣,外界與系統無質量交換,當外界壓力變小,系統做絕熱膨脹,對外界作功。
則根據熱力學第一定律,ΔU = Q - W,因為系統絕熱,則Q = 0,所以系統內能變化等於對外界的作功,ΔU = - W,因為膨脹,系統對外界作功,則W > 0,所以ΔU < 0,假設氣體為理想氣體,ΔU = nCvΔT,ΔT < 0。
對上述熱力學第一定律計算式做總結,空氣做絕熱膨脹,因與外界沒有熱量交換(絕熱)所以並不會將熱能轉換為任何形式的能量,包括動能,所以在此就不必考慮熱能的轉變了。而膨脹是氣體對外界作功,也就是說,氣體與外界唯一有的能量交換就是功,不是動能,空氣塊對外界作功,就是以功的形式的能量給予外界(非動能形式)直到系統與外界的壓力相等而停止。而系統的內能(U)因為對外界作功而減少,也因此使系統的溫度下降。
不知為何你會提到動能呢?
先瞭解動能的定義:ΔEk = 1/2 mΔV^2
絕熱膨脹的系統在於空氣塊,一個封閉的空氣塊,要如何自己產生速度呢?或許你想的是系統內的空氣分子的運動吧!但今天你討論的是功與熱,是屬熱力學這個巨觀的角度,氣體分子的動能這類的微觀變化都被歸屬在系統的內能變化裡了,剛剛有提到,系統內能下降,內能是微觀角度下,動能與位能的總和,內能下降,分子的動能和位能也勢必發生改變,但這個微觀的動能變化並不是你發問中所提到的,巨觀的動能的轉換,這樣了解嗎?
在熱力學第一定律裡,會有動能轉換的,最常見的有兩種可能:一種就是開放系統,與外界有質量進出的系統;另一種就是流動的封閉系統,因為管路的口徑大小不一產生流速變化。
希望這樣的回答能幫助到你,有疑問可以再提出來。
2011-04-11 00:44:06 補充:
第一個問題
通常我們會把需要探討的部分視為一個系統,系統以外就是外界,是我們不去注意的部分,或許你把一個系統探討完之後,會把原本的外界的其中一部分再視為另一個系統,其餘為新的外界。我說的這個意思是什麼?意思就是外界並沒有一個明確的界定,它可能是個無限大的空間,有固體有液體,也可能是另一個有空氣有水的容器,不同的環境也有不同的結果,有的轉換為熱,有的作功,甚至有的產生化學反應也可能,既然不知道外界是什麼,什麼相態及狀態?又如何能得知其熱功轉換呢?這當然沒有明確答案。
今天先到這裡,先休息,其餘等天亮再說^^
2011-04-11 09:54:41 補充:
第三個問題
分子的動能與其絕對溫度成一次方正比,而系統內能係包含分子動能、位能及其他能量(震動、轉動...等),所以當系統為理想氣體,溫度上升時,內能增加,分子的動能也會上升。
第四個問題
如上題所述"系統內能係包含分子動能、位能及其他能量(震動、轉動...等)"熱能屬系統與外界交換的其中一種能量形式,熱能是熱能,內能是內能,兩者是不一樣的。
2011-04-11 16:51:27 補充:
第二個問題
這麼說應該也沒錯。先以微觀的觀點想像一個畫面,一個絕熱容器裡裝著理想氣體,氣體分子不斷往器壁撞擊,而原本的容器裡的壓力與外界相等,等於是個力平衡狀態,當外界壓力變小,原本的力平衡被破壞,容器裡的氣體碰撞的總力大於外界總力,於是容器因此膨脹(氣體對外作功),直到達到新的力平衡為止,從分子碰撞器壁的推導結果,氣體壓力與體積的乘積正比於氣體碰撞的總動能,即PV = 2/3 Et,氣體碰撞的總動能下降使得PV值發生改變(做PV功),而氣體的總動能也是熱力學內能的其中之一,換句話說,內能的下降轉換成PV功,是符合第一定律的。