焦耳氣體自由膨脹實驗

研究氣體內能的實驗。是J.P.焦耳於1845年完成的。實驗裝置如下圖所示。容器A內裝有氣體，B抽成真空，盛有水的容器D用絕熱壁製成，A、B浸在溫度為T的水中，達到熱平衡後打開活栓C，氣體膨脹而進入B，因氣體膨脹時不受阻礙,所以稱為自由膨脹。氣體因膨脹而改變了體積,從溫度計E讀數的變化來測定氣體內能與體積變化的關係（質量不變）。一般把在等內能過程中因氣體自由膨脹時體積V改變一個單位而引起溫度T變化的這種現象稱為焦耳效應,而把這個量稱為焦耳係數，即式中U為內能，CV為定容熱容。在當時的測量精度下,實驗發現λ=0，即氣體的內能只是溫度的函式，與體積無關，稱之為焦耳定律。實驗證明，遵守焦耳定律的氣體也遵守玻意耳定律(見理想氣體狀態方程)，這種氣體叫做理想氣體。理想氣體的內能只和溫度有關，是因為理想氣體分子之間與距離有關的相互作用可忽略不計，而實際氣體則需計及這部分相互作用。在焦耳實驗中，沒有觀察到氣體溫度的變化，即內能不隨體積變化，這是因為水的熱容大，氣體內能的變化不能使水溫發生可測的變化。