Контейнеры, содержащие газ под высоким давлением, не теряют медленно внутреннюю энергию газа. Кажется, что высокоскоростные частицы будут сталкиваться с металлическими стенками и медленно передавать свою энергию более медленным частицам вне контейнера.
Даже если давление возникает из-за большего количества частиц в контейнере, они могут выполнять работу при освобождении, поэтому у них есть энергия. Разве эта энергия не должна рассеяться со временем?
Газы в сосудах при высоком давлении имеют такое давление потому, что в них больше молекул, чем в том же сосуде при атмосферном давлении, а не потому, что существует разница между энергиями молекул. При одинаковой температуре два сосуда с разным числом молекул в них имеют одинаковое вероятностное распределение энергий.
Разность давлений возникает из-за разности частот столкновений со стенками в каждом случае, причем частота столкновений пропорциональна количеству молекул.
Вопрос от ОП
Тем не менее, не должна ли накопленная энергия со временем рассеиваться? Вы можете позволить газу под высоким давлением совершать работу, чтобы он сохранял энергию.
Во-первых, кажется, что вы можете путать температуру с концентрацией энергии (энергия на единицу объема). Температура полностью связана с распределением вероятностей частиц системы, а не с тем, сколько в ней общей энергии. Я попытаюсь использовать следующий аргумент, чтобы попытаться показать, почему именно разница температур между газом и его окружением, а не концентрация энергии определяет, уходит ли энергия через тепловой поток, что является единственным способом, которым она может уйти, если бутылка запечатан.
Думайте о вещах с точки зрения одной частицы. Время от времени он сталкивается с другими частицами газа, а также с термализованными частицами, из которых состоят стенки бутылки. Иногда эти частицы будут иметь больше энергии, чем наша одинокая частица, иногда меньше. Но в долгосрочной перспективе ожидаемая скорость передачи энергии от частицы равна нулю — это то, что мы по определению имеем в виду, когда говорим, что система находится в термодинамическом равновесии. Эта нулевая ожидаемая скорость полностью зависит от распределения вероятностейэнергий частиц системы не зависит от того, как часто частицы сталкиваются. Если бы в бутылке была только одна газовая частица (то есть у вас был очень жесткий вакуум), ее средняя кинетическая энергия определялась бы кинетическими энергиями частиц, образующих стенку бутылки: она достигла бы точки, где столкновение с стены с одинаковой вероятностью теряют или приобретают энергию. И эта ожидаемая энергия будет средней энергией частиц в стенке. Энергия не может просто устремляться внутрь, потому что она более сконцентрирована в стенках, передача регулируется стохастическими, пассивными процессами.
Есть два способа изменить внутреннюю энергию газа, один из которых макроскопический, то есть совершая работу над газом или над ним, если газ либо расширяется, либо сжимается. Другой микроскопически через тепло. Если сжатый газ имеет ту же температуру, что и внешний газ, эти микроскопические столкновения не приведут к обмену энергией, потому что распределение скоростей частиц является функцией температуры, а не давления, поэтому это неверно. предположить, что частицы внутри контейнера быстрее, чем частицы снаружи, и, следовательно, не будет чистой передачи энергии.
Кажется, что высокоскоростные частицы будут сталкиваться с металлическими стенками и медленно передавать свою энергию более медленным частицам вне контейнера.
Механизм, который вы описываете, верен, но вы должны иметь в виду, что средняя кинетическая энергия, , пропорциональна только температуре:
Таким образом (поскольку объем фиксирован и, следовательно, макроскопическая работа исключена), чистый перенос энергии будет иметь место только в том случае, если температура внутри сосуда отличается от температуры внешней среды и если допускается перенос тепла (т. е. если стенки сосуды не адиабатические).
re: «Почему газы под высоким давлением, хранящиеся в контейнерах, не теряют энергию?»
Они могут получать и терять энергию:
Энергия (тепло) теряется из газа, когда газ сжимается (будь то за счет механического сжатия или за счет охлаждающего сжатия (например, пропускание газа через трубку, погруженную в очень холодную жидкость, такую как жидкий азот).
Энергия (тепло) приобретается газом, когда очень холодный газ переносится в более теплый резервуар (например, особенно из резервуара с высоким давлением в резервуар с более низким давлением, который не имеет суперизоляции).
Энергия (тепло) также может быть потеряна или получена, пока газ хранится в резервуаре, поскольку внешние температуры окружающей среды колеблются.
Владимир Калитвянский
пользователь108787