自由膨脹

自由膨脹（英語：free expansion）是一種不可逆的熱力學過程，過程中氣體在一個絕熱的系統內膨脹，外界和系統之間沒有功和熱的交換。真實氣體在自由膨脹時會有溫度的變化。若是理想氣體，過程前後的溫度不會變化，而且過程前後的狀態符合以下的式子pi Vi = pf Vf，其中p為壓力，V為體積而下標的i及f表示初始及結束的狀態。

基本信息

• 中文名稱：自由膨脹
• 外文名：free expansion
• 表達式：-W=0 q=0 ΔU=0
• 提出者：焦耳
• 套用學科：物理學
• 適用領域範圍：熱力

• 相關實驗：焦耳實驗

科學解釋

自由膨脹

氣體向真空膨脹的過程。“自由”二字是指膨脹時氣體不受外界阻礙，所以氣體不對環境做功，即-W=0。1843年，焦耳曾設計一套使氣體向真空膨脹的儀器。焦耳發現，氣體在膨脹前後溫度沒有變化，因而沒有自環境吸入或放出熱，即Q=0。根據熱力學第一定律Q=△U+W可知，氣體在膨脹過程中△U=Q-W=0。所以焦耳實驗(Joule’sexperiment)得出以下結論，在自由膨脹中，氣體的內能不變；或者說，氣體的內能與體積無關，只與溫度有關。後來精確的實驗證明，焦耳的結論只對理想氣體才是正確的。

實驗結論

焦耳實驗(Joule’s experiment)得出以下結論，在自由膨脹中，氣體的內能不變；或者說，氣體的內能與體積無關，只與溫度有關。後來精確的實驗證明，焦耳的結論只對理想氣體才是正確的。

過程

由於體系經歷絕熱過程，故與外界無熱交換。又由於氣體向真空自由膨脹，外壓為零，故體系對環境做功也為零。由熱力學第一定律可得體系內能的變化為零，理想氣體的內能只是溫度的函式，所以理想氣體絕熱自由膨脹後溫度將恢復原來的溫度。
說明：
（1）雖然理想氣體絕熱自由膨脹後溫度恢復，但整個過程並不是恆溫過程。
（2）理想氣體絕熱自由膨脹過程是非準靜態過程，除初，末態外，系統每一時刻都處於非平衡態。
（3）對於實際氣體，溫度一般不會恢復到原來溫度。
實驗證實參見焦耳實驗：容器分為兩室，左邊貯有理想氣體，右邊為真空．如果將隔板抽開，左室中的氣體將向B室膨脹。這是氣體對真空的自由膨脹，最後氣體將均勻分布於兩室。溫度與原來溫度相同。氣體膨脹後，我們仍可用活塞將氣體等溫壓回左室，使氣體回到初始狀態。不過，此時我們必須對氣體作功，所作的功轉化為氣體向外界傳出的熱量，根據熱力學第二定律，我們無法通過循環過程再將這熱量完全轉化為功，所以氣體對真空的自由膨脹過程是不可逆過程。