自由膨胀的气体向真空膨胀的过程

容器A内装有气体，B抽成真空，盛有水的容器D用绝热壁制成，A、B浸在温度为T的水中，达到热平衡后打开活栓C，气体膨胀而进入B，因气体膨胀时不受阻碍,所以称为自由膨胀。气体因膨胀而改变了体积,从温度计E读数的变化来测定气体内能与体积变化的关系（质量不变）。

一般把在等内能过程中因气体自由膨胀时体积V改变一个单位而引起温度T变化的这种现象称为焦耳效应,而把这个量称为焦耳系数，即式中U为内能，CV为定容热容。在当时的测量精度下,实验发现λ=0，即气体的内能只是温度的函数，与体积无关，称之为焦耳定律。

实验证明，遵守焦耳定律的气体也遵守玻意耳定律(见理想气体状态方程)，这种气体叫做理想气体。理想气体的内能只和温度有关，是因为理想气体分子之间与距离有关的相互作用可忽略不计，而实际气体则需计及这部分相互作用。

在焦耳实验中，没有观察到气体温度的变化，即内能不随体积变化，这是因为水的热容大，气体内能的变化不能使水温发生可测的变化。

扩展资料

1、自由膨胀过程

由于体系经历绝热过程，故与外界无热交换。又由于气体向真空自由膨胀，外压为零，故体系对环境做功也为零。由热力学第一定律可得体系内能的变化为零，理想气体的内能只是温度的函数，所以理想气体绝热自由膨胀后温度将恢复原来的温度。

说明：

虽然理想气体绝热自由膨胀后温度恢复，但整个过程并不是恒温过程。

理想气体绝热自由膨胀过程是非准静态过程，除初，末态外，系统每一时刻都处于非平衡态。

对于实际气体，温度一般不会恢复到原来温度。

2、真空膨胀的工作原理

校准装置一般采用的是静态膨胀法原理，在等温条件下，将已知的小体积高压力气体膨胀到已抽空的大容器中去，进而产生低压强，并利用波义耳—马略特定律PV=RT完成相关计算，PV为常数。

该装置是由8个膨胀伐、2个膨胀室构成2级膨胀。例如，一级膨胀室是将大气压强P作为原始标准压强（用标准气压计测量），由一级膨胀伐v1将压强为Pa的气态向一级膨胀室V1内膨胀，其计算公式为：

Pn=nK1Pa（1）

K1=v1/（V1+v1）（2）

式（1）（2）中：Pn为待测量真空度，Pa；n为膨胀次数，次；K1为膨胀系数；Pa为原始标准压强，Pa；v1为膨胀阀体积，mL；V1为一级膨胀室体积，mL。

校准装置的前级标准压力计是由气源室的压力与大气压力相通利用空盒气压表测量的，它与测量气体无关。校准装置有2个校准室，其中，一级膨胀室容积均为30L左右，二级膨胀室容积为60L左右。膨胀阀均采用电磁阀，一级膨胀阀有4个，直接从气源室取样和膨胀；二级膨胀阀有4个，从一级膨胀室取样和膨胀。

参考资料来源：百度百科-自由膨胀

参考资料来源：百度百科-焦耳气体自由膨胀实验

参考资料来源：百度百科-真空膨胀

“自由”二字是指膨胀时气体不受外界阻碍，所以气体不对环境做功，即-W=0。1843年，焦耳曾设计一套使气体向真空膨胀的仪器。焦耳发现，气体在膨胀前后温度没有变化，因而没有自环境吸入或放出热，即Q=0。根据热力学第一定律Q=△U+W可知，气体在膨胀过程中△U=Q-W=0。所以焦耳实验(Joule’s experiment)得出以下结论，在自由膨胀中，气体的内能不变；或者说，气体的内能与体积无关，只与温度有关。后来精确的实验证明，焦耳的结论只对理想气体才是正确的。

ΔU公式里加号和减号决定于W表示的意思，是表示环境对体系做的功，还是表示体系对环境做的功。

上面的热力学第一定律错了△U=Q+W