Недавно я читал о том, почему баллон со сжатым воздухом остывает, когда содержащийся в нем воздух выпускается. Насколько я понимаю, переход из жидкости в газ требует энергии, и поэтому тепло берется из окружающей среды.
Что меня смущает, так это то, как фазовый переход поглощает тепло? Если для завершения фазового перехода требуется энергия, не означает ли это, что фазовый переход не произойдет, если не будет добавлено тепло? Я думаю, я смущен тем, как фазовый переход извлекает тепло из окружающей среды.
Если бы я хотел сжать газ в жидкость, мне пришлось бы использовать для этого силу или собственную энергию, но при переходе от жидкости к газу энергия просто берется из окружающей среды. Это сбивает меня с толку.
В общем, когда физическая система может изменяться, она будет стремиться изменить свое состояние так, чтобы минимизировать свободную энергию. Это принцип. Например, уберите плотину с реки, и вода из озера за плотиной самопроизвольно потечет вниз по каньону. Нет необходимости выполнять дополнительную работу, чтобы «протолкнуть» воду вниз. Энергия обтекания небольших препятствий на пути вниз исходит от гравитационной потенциальной энергии.
Температура возникает из-за кинетической энергии движения молекул. Если газ содержится в маленьком контейнере, а контейнер открывается в больший объем, молекулы газа самопроизвольно перемещаются, чтобы занять больший объем. Если расширяющийся газ совершает какую-то работу, энергия для этой работы исходит из кинетической энергии. Расширяющийся газ может работать против стенки контейнера (например, поршня) или против притяжения межмолекулярных сил (например, реального газа). Уменьшение кинетической энергии системы ощущается как снижение температуры. Обратимое расширение идеального газа, не совершающего работы, изотермическое.
Молекулы в жидкости слипаются и образуют жидкость из-за межмолекулярных сил между молекулами. Против этих сил совершается работа по увеличению расстояния между молекулами и образованию газовой фазы. Эта работа уменьшает кинетическую энергию, и температура уменьшается.