氣體絕熱膨脹溫度下降的證明

氣體絕熱膨脹溫度下降的證明

明道高中 程明亮

將汽車或腳踏車打滿空氣的輪胎，試著從氣孔放氣，讓 氣體自小孔噴出，這是氣體體積急速膨脹的過程，溫度是上 升、下降或不變，不易用手去感覺分辨，今天我們將設計一 個簡單卻有趣的實驗，來驗證氣體體積急速膨脹的過程，溫 度會下降。在製備液態空氣的過程，就是將除去二氧化碳雨 水份的乾燥空氣，經壓縮→冷卻→自小孔使氣體急速膨脹的 步驟，使空氣逐步降低溫度，最後達到冷凝的過程，再裝入 杜耳瓶中儲存。

原理：

當空氣急速被壓縮或膨脹時，因氣體導熱性很差，所以來不及 與外部進行熱交換，可視為絕熱下進行。實驗開始時，寶特瓶中的少 量水已達液氣平衡，故瓶中含有飽和水蒸氣，當快速打入空氣時，壓 力逐漸增大，最後壓力大到將橡皮塞彈開時，氣體發生絕熱膨脹，此 時氣體分子間的位能增加，所增加的位能來自分子動能轉換而來，故 分子平均動能減少，溫度下降，於是原先達飽和的水蒸氣變成過飽 和，過多的水蒸氣就凝結成霧狀微小水滴了。

材料：

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8 號單孔橡皮塞 1 個 空原子筆桿 1 支 單向閥 1 個 2 ㎜厚橡皮管 15 ㎝及 40 ㎝ 各 1 條 三腳架 1 個 抹布 1 條

做法：

1. 取 8 號單孔橡皮塞，小心將空原子筆桿自半徑較大邊旋入 孔洞中，筆桿約露出 2 ㎝即可，試看看橡皮塞是否與寶特 瓶口可以密接，若太大或太小，則須更換橡皮塞。

2. 以 15 ㎝長橡皮管先套上瓶外原子筆桿，另一端再接上單 向閥，注意單向閥的方向是使空氣可以進入寶特瓶中，而 瓶內空氣無法逸出，才是正確方向。

3. 單向閥另一邊再套上 40 ㎝長橡皮管，長橡皮管的另一端 準備連接小型打氣筒，檢查整個路線連接處確實密合，不 會因打氣而彈開。

4. 在寶特瓶中放入少量水，搖晃瓶子，讓水附著在瓶璧各 處，倒掉多餘的水，旋緊瓶蓋，待其達液氣平衡，此步驟 可在實驗前一天或前幾個小時事先準備妥當。

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5. 將橡皮塞塞緊甁口的寶特瓶，放入三腳架鐵環孔內，以抹 布填塞瓶子周圍，使瓶口朝向正上方，注意臉不要靠近瓶 口正上方，以免臉被彈開的橡皮塞打到。

6. 開始用力打氣，至壓力夠大時，橡皮塞自動彈開，拿起寶 特瓶，看看甁內有什麼東西形成，擠壓瓶子，讓它由甁口 冒出來，可以看得更清楚。

動腦想一想：

1.

2.

的量，是變多、變少或不變？

3.

注意事項：

注意臉不要靠近瓶口正上方，以免臉被彈開的橡皮塞打到。