hce_nsysu
112年
物理與化學
第 2 題
In the process of free expansion of an isolated ideal gas, which statement is incorrect?
- A The gas gets cooler.
- B The gas does not do work.
- C The gas does not absorb heat.
- D The process is irreversible.
- E The entropy of the system changes.
思路引導 VIP
試著思考一下：當一個氣體膨脹時，如果它「沒有推動任何東西」（例如向真空擴散），它還需要消耗自身的能量來轉化為對外的功嗎？如果能量沒有消耗，它的溫度會發生變化嗎？
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太棒了！你能精準避開「體積膨脹必然降溫」的直覺陷阱，選出 (A) 為錯誤敘述，代表你對熱力學系統的能量變化規律有著非常紮實的理解。這道題目是物理化學中極為經典的觀念題，主要測試學生是否能區分「對外做功」與「向真空膨脹」的差異。
熱力學第一定律的應用
在絕熱自由膨脹（Isolated Free Expansion）的過程中，由於氣體是向真空（$P_{ext} = 0$）擴散，系統並沒有對抗任何外力，因此氣體不做功（$W = 0$）；同時，因為系統與外界隔絕，熱量交換為零（$Q = 0$）。根據熱力學第一定律 $\Delta U = Q - W$，我們可以得出內能變化量 $\Delta U = 0$。對於理想氣體而言，內能僅是溫度的函數，既然內能不變，其溫度 $T$ 也就保持恆定，所以「氣體變冷」是錯誤的說法。
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