Durante l'espansione adiabatica, un gas subisce una variazione di volume senza che venga aggiunto o sottratto calore al sistema (Q =0). Quando il gas si espande, funziona spingendo contro l'ambiente circostante. Questo lavoro viene svolto a scapito dell'energia interna del gas, provocando una diminuzione della sua temperatura. Pertanto, il gas si raffredda a causa della conversione dell'energia interna in lavoro.

Ecco una spiegazione del processo:

1. Stato iniziale: Consideriamo un gas confinato in un contenitore a una certa temperatura, volume e pressione.

2. Espansione adiabatica: Il contenitore si espande improvvisamente, permettendo al gas di occupare un volume maggiore. Poiché l’espansione è adiabatica, non avviene alcuno scambio di calore tra il gas e l’ambiente circostante.

3. Lavoro svolto dal gas: Quando il gas si espande, spinge contro le pareti in espansione del contenitore, compiendo lavoro (W) sull'ambiente circostante. Questo lavoro è positivo perché il gas esercita una forza su una distanza nella direzione dello spostamento.

4. Energia interna: Secondo la prima legge della termodinamica, l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasferita tra forme diverse. In questo caso, poiché non viene aggiunto calore al sistema (Q =0), il lavoro compiuto dal gas (W) deve provenire dall'energia interna (U) del gas.

5. Effetto di raffreddamento: L'energia interna di un gas è legata alla sua temperatura. Poiché il gas funziona espandendosi, la sua energia interna diminuisce. Questa diminuzione dell'energia interna fa sì che la temperatura del gas diminuisca.

In sintesi, durante l'espansione adiabatica, il lavoro svolto dal gas deriva dalla sua energia interna, portando ad una diminuzione della temperatura e ad un effetto di raffreddamento sul gas.