Question

Một bình chứa carbon dioxide (CO₂) ở nhiệt độ phòng và áp suất 20 atm (áp suất không khí trong phòng là 1 atm) Để quan sát hiện tượng khối khí CO₂ giảm nhiệt độ và hóa rắn khi phun ra khỏi bình, người ta dặt một miếng vải ở miệng ống xả của bình chứa và mở van thì thấy CO₂ rắn (có nhiệt độ thấp) được hình thành trên miếng vải. Hiện tượng khối khí biển đổi trực tiếp thành chất rắn như CO₂ trong hiện tượng này được gọi là sự ngưng kết. Hãy vận dụng định luật 1 nhiệt động lực học để giải thích vì sao CO₂ khi phun ra lại giảm nhiệt độ.

Answer 1

- Khi CO₂ ở trong bình:

+ CO₂ ở thể khí, có áp suất cao (20 atm).

+ Nội năng của CO₂ (U₁) cao do:

Năng lượng động của các phân tử CO₂ cao (do chuyển động nhanh).
Năng lượng liên kết giữa các phân tử CO₂ cao (do ở trạng thái khí).
- Khi CO₂ phun ra khỏi bình:

+ CO₂ di chuyển từ môi trường áp suất cao (trong bình) sang môi trường áp suất thấp (bên ngoài).

+ Do chênh lệch áp suất, CO₂ tự nở ra nhanh chóng.

+ Quá trình nở ra này không có trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh (Q = 0).

+ Công thực hiện bởi hệ (A) là âm. Lý do:

Hệ (CO₂) tự nở ra, đẩy piston (miệng bình) ra ngoài.
Theo định nghĩa công, A = F.s, với F là lực đẩy của CO₂ và s là quãng đường di chuyển của piston.
Vì CO₂ đẩy piston ra ngoài, nên F hướng ra ngoài và s > 0.
Do đó, A = F.s < 0.
- Giải thích sự giảm nhiệt độ:

+ Theo định luật 1 nhiệt động lực học: ΔU = Q + A = 0 + A < 0

+ Do Q = 0 và A < 0, nên ΔU < 0.

+ Nội năng của CO₂ giảm (U₂ < U₁).

+ Sự giảm nội năng dẫn đến giảm nhiệt độ của CO₂.

- Lý do:

+ Năng lượng động của các phân tử CO₂ giảm do chúng di chuyển chậm lại.

+ Năng lượng liên kết giữa các phân tử CO₂ giảm do CO₂ chuyển từ thể khí sang thể rắn.

- Kết luận:

Sự giảm nhiệt độ của CO₂ khi phun ra khỏi bình là do sự giảm nội năng của CO₂. Nguyên nhân của sự giảm nội năng này là do công thực hiện bởi hệ (CO₂) khi nở ra nhanh chóng trong môi trường áp suất thấp.