Strona głównaPytania → Co się dzieje z gazem...

Co się dzieje z gazem podczas rozprężania?

Pytanie

Pyta Łukasz

Podczas rozprężania gazu ziemnego, np. w reduktorze, dochodzi do zmiany jego ciśnienia i temperatury (maleje ciśnienie i spada temperatura). Co się stanie jeśli podczas rozprężania gazu uniemożliwimy pobór energii cieplnej z otoczenia?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Jeżeli podczas rozprężania gazu uniemożliwimy wymianę ciepła z otoczeniem to niewiele się zmieni. Proces rozprężania gazu zachodzi szybko, co sprawia, że nie ma czasu na wymianę energii. Obserwowany spadek temperatury wynika przede wszystkim z oddziaływań pomiędzy cząsteczkami gazu i możemy go zrozumieć w następujący sposób.

Załóżmy, że nie ma wymiany energii z otoczeniem, a dodatkowo przyjmijmy, że gaz rozpręża się do próżni, a nie do atmosfery. Dzięki temu nie musimy brać pod uwagę pracy rozprężanego gazu przeciwko ciśnieniu atmosfery. Przy dużym ciśnieniu sprężonego gazu względem ciśnienia atmosferycznego jest to dobre przybliżenie. W takiej sytuacji z zasady zachowania energii wynika, że całkowita energia rozprężającego się gazu nie zmienia się. Całkowita energia składa się z dwóch części. Z energii kinetycznej związanej z ruchem cząsteczek gazu (której miarą jest temperatura) oraz z energii potencjalnej wynikającej z oddziaływań między cząsteczkami. Skoro całkowita energia jest zachowana, to jakakolwiek zmiana temperatury gazu (czyli energii kinetycznej) musi być skompensowana przez zmianę energii potencjalnej. Żeby zrozumieć co się stanie z temperaturą musimy w takim razie prześledzić efekt rozprężenia gazu na energię potencjalną.

W większości gazów występuje słabe oddziaływanie przyciągające pomiędzy cząsteczkami. Oddziaływanie to słabnie wraz ze zwiększaniem się odległości. Oznacza to, że gaz w którym cząstki są bliżej siebie ma mniejszą energię potencjalną niż gaz w którym cząstki są od siebie bardziej oddalone. Podczas rozprężania gazu odległości między cząstkami rosną, więc wraz z nimi rośnie energia potencjalna gazu. Skoro energia całkowita pozostaje bez zmian, to wzrost energii potencjalnej musi być skompensowany spadkiem energii kinetycznej, czyli spadkiem temperatury.

Jeżeli gaz rozpręża się do atmosfery zamiast do próżni, to musi wykonać jeszcze dodatkowo pracę przeciwko ciśnieniu atmosferycznemu. W związku z tym energia całkowita gazu po rozprężeniu będzie mniejsza niż początkowo. W związku z tym spadek temperatury będzie większy.