Kaasun tilavuuden muutostyö

Luvussa Kaasun tila ja tilanmuutokset käsiteltiin kaasun tilanmuutosta vakiolämpötilassa. Luvun tilanteessa kaasusäiliön tilavuutta pienennettiin hitaasti, jolloin tilavuus ja paine muuttuivat kääntäen verrannollisesti. Koska kokoonpuristaminen tehtiin hitaasti, kaasun lämpötila pysyi vakiona. Nopea tilavuuden muutos aiheuttaa toisentyyppisen tilanmuutoksen, kuten videolla havaitaan.

Nopeasti kokoonpuristetun kaasun lämpötila kasvaa niin paljon, että sylinterin pohjalla oleva paperinpala palaa leimahtaen. Kaasun lämpötila ei ehdi tasaantua ympäristön kanssa, vaan voi ylittää syttymiseen vaadittavan lämpötilan 200 celsiusastetta. Tämä johtuu sylinterin mäntää puristavan voiman tekemästä työstä. Mikroskooppisella tasolla työ ilmenee siten, että liikkuvasta männästä kimpoilevien kaasumolekyylien liike-energia kasvaa. Tällöin kaasun sisäenergia ja sen myötä lämpötila kasvavat.

Kaasun puristamisessa tehtävän työn suuruudelle voidaan määrittää lauseke tilanteessa, jossa kaasun paine pysyy vakiona ja mäntää puristetaan voimalla F. Mäntä liikkuu kuvan mukaisesti voiman suuntaan matkan s. Työn suuruus lasketaan voiman ja matkan tulona, jolloin saadaan

​[[$ \qquad W=Fs=pAs=p\Delta V $]]​, jossa [[$\Delta V$]] on kaasun tilavuuden muutos.

On syytä huomata, että leimahtavan paperinpalan tapauksessa kaasun paine ei pysy vakiona, vaan paine kasvaa. Tällaisessa tilanteessa työtä ei voida laskea paineen ja tilavuuden tulona.

Kun kaasua puristettiin kokoon, tehtiin työtä sen sisäenergian kasvattamiseksi. Prosessi voi tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan. Laajeneva kaasu tekee työtä ympäristöön ja sen sisäenergia vähenee tehdyn työn verran. Esimerkkinä tällaisesta muutoksesta on autonrenkaan avatusta venttiilistä purkautuva ilma. Venttiilin havaitaan jäähtyvän, kun ilma jäähtyy virratessaan matalampaan paineeseen.

Työ kaasun tilavuuden muuttuessa

Puristettaessa kaasua kokoon vakiopaineessa tehdään työ [[$W$]], jonka suuruus on

[[$ \qquad W=p \Delta V $]]​,

missä [[$p$]] on kaasun paine ja [[$\Delta V$]] kaasun tilavuuden muutos. Kaasun sisäenergia kasvaa tehdyn työn verran.

Kaasun tilavuuden kasvaessa kaasu tekee samansuuruisen työn ympäristöön. Tällöin kaasun sisäenergia vähenee.