Question

为什么气体体积膨胀一定对外做功？

除在真空中膨胀之外
气体体积膨胀，为什么一定对外做功？从微观角度怎么分析？（分子动能和势能怎么变？）
另外真空膨胀最好也解释一下，谢谢

Answer 1

根据气体状态方程式:PV=NRT,
P:气体压强,单位帕斯卡Pa
V:气体体积,单位立方米
N:气体分子数量,单位mol
R:常数=8.31
T:温度,单位开尔文K
对照问题,问题应该假设了气体的总量是一定的,就是N是一定的;体积膨胀,V变大,但是问题没有说明P和T的变化情况,所以无法回答问题.
可以分为以下情况,
气球型:气球破裂,内部气体膨胀变大,压强减小,但是气球内外温度是一样的(假设气球与环境有较长时间接触),所以NRT是不变的,只是PV在变.气体没有做功,我们听见气球爆破的声音和感觉到的气流是气球皮膜收缩的弹力在做功.
可乐型:打开盖子气体膨胀,P减小,V变大,N增加(部分气体溶解在水里,压里减小回到气体里),象家里煤气瓶一样,属于液态物质蒸发吸热.这里面有一部分能量属于气体膨胀做功.
子弹型:火药燃烧产生大量高温高压气体,气体推动弹头前进,做功.子弹内部本来有空气的,燃烧产生的气体更多,温度更高.做完功气体T下降P下降V上升.分子动能和势能都减小,变成弹头动能)
在真空里,有一瓶气体,P和V,是一定的NR是一定的,T是一定的,打开盖子后,V变无穷大,P变无穷小,其他没有变.不做功,属于气体分子的自由逃逸,是布朗运动.单个分子动能增加,势能减小,温度则没有意义(温度是表示大量分子热运动的剧烈程度,不适用于单个分子),气体没有对外做功,因为没有做功的对象.

Answer 2

根据能量守恒原理，根据变化前后能量变化来判断是外界对它作功，还是它对外界作功。

Answer 3

体积膨胀就是分子之间的距离相对加大,斥力起主要作用,相互之间的运动更加自由(分子动能增大)