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热力学

理想气体 PV=nRT,每个过程的轨迹各不相同

PV=nRT 把 P、V、T 绑在一起。等温是双曲线,等压等容是直线,绝热是 PVγ 更陡的曲线

在理想气体里,压力、体积、温度被 PV = nRT 这一个关系绑在一起。哪怕连接同样的两点,是等温、等压、等容还是绝热,P-V 平面上的轨迹也会不同。

动一动体积和温度。压力随之而来,P = nRTV。三个量始终满足 PV = nRT。夏天烈日下或高速行驶后轮胎变热时,体积几乎不变而温度 T 升高,压力 P 也随之变大,正是这个关系。

把温度固定,PV 保持不变。拖动体积,点就沿着一条反比曲线、双曲线移动。这就是等温过程的轨迹。就像堵住注射器口慢慢推、把体积压到一半时压力会翻倍那样,温度不变时 P 和 V 朝相反方向变化。

用按钮看两个过程。等压把压力固定,所以是横线;等容把体积固定,所以是竖线。最简单的两条轨迹。把密封的罐头扔进火里,体积固定不变而只有温度升高、压力猛涨,这就是等容;加热自由活塞下的气体,它在保持大气压的同时鼓胀开来,这就是等压。

绝热不交换热,所以 PVγ 保持不变。从同一点出发,绝热曲线比等温曲线更陡,因为气体一边膨胀一边还降温。空气顺着山坡上升、膨胀变冷而形成云和雨,喷雾罐喷射时喷嘴变凉,都是热来不及进出就快速膨胀、温度随之下降的绝热。

最后,在同一处把四个过程叠在一起看。用按钮切换等温、等压、等容、绝热,就能一眼看出从同一起点伸出的轨迹各不相同。曲线下的面积就是功,所以过程不同,功也不同。下一章,我们走向用这些循环做功的热机和第二定律。实际的汽车发动机和冰箱,也都靠把这些过程串成一个环的循环来运转,而那条闭合环在 P-V 平面上围出的面积,就是转一圈净交换的功。

实际应用总结一下:理想气体用 PV = nRT 把压力、体积、温度绑成一个关系。等温是 PV 不变的双曲线,等压是横线,等容是竖线,绝热是 PVγ 不变、更陡的曲线。P-V 平面上的轨迹随过程而异,其下的面积就是该过程的功。下一章,我们走向把这些过程编成环的热机,以及吸进来的热不可能全变成功的第二定律。
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