Джоуля - Томсона эффект

Джоуля - Томсона эффект
        изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель — местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (Дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой (адиабатически).
         Д. — Т. э. был обнаружен и исследован английским учёными Дж. Джоулем (См. Джоуль) и У. Томсоном в 1852—62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась температура в двух последовательных сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 1). Значительное трение газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) делало скорость газового потока ничтожно малой, так что при дросселировании кинетическая энергия потока была очень мала и практически не менялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внешней средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе Δp = p1р2, равном 1 атмосфере (1,01․105 н/м2), измеренная разность температур ΔT = T2T1 для воздуха составила — 0,25°С (опыт проводился при комнатной температуре). Для углекислого газа и водорода в тех же условиях ΔТ оказалась, соответственно, равной -1,25 и +0,02°С.
         Д. — Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (ΔТ < 0), и отрицательным, если газ нагревается (ΔТ > 0).
         Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества, Д. — Т. э. свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия (обнаружение этих сил было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, температура расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к Д. — Т. э., сложнее, т.к. газ не изолирован энергетически от внешней среды. Он совершает внешнюю работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внешнего давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетического баланса в опытах Джоуля — Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающей до дросселя объём V1, равна p1V1. Эта же порция газа, занимая за дросселем объём V2, совершает работу p2V2. Проделанная над газом результирующая внешняя работа A = p1V1p2V2 может быть как положительная, так и отрицательная. В адиабатических условиях она может пойти только на изменение внутренней энергии газа: A = U2U1. Отсюда, зная уравнение состояния газа и выражение для U, можно найти ΔT.
         Величина и знак Д. — Т. э. определяются соотношением между работой газа и работой сил внешнего давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул.
         Для идеального газа, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие между собой, Д. — Т. э. равен нулю.
         В зависимости от условий дросселирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться. Температура, при которой (для данного давления) разность ΔT, проходя через нулевое значение, меняет свой знак, называется температурой инверсии Д. — Т. э. Типичная кривая зависимости температуры инверсии от давления показана на рис. 2. Кривая инверсии отделяет совокупность состояний газа, при переходе между которыми он охлаждается, от состояний, между которыми он нагревается. Значения верхних температур инверсии (Ti, max, рис. 2) для ряда газов приведены в таблице.
         Д. — Т. э., характеризуемый малыми значениями ΔT при малых перепадах давления Δр, называют дифференциальным. При больших перепадах давления на дросселе температура газа может изменяться значительно. Например, при дросселировании от 200 до 1 атмосферы и начальной температуре 17°С воздух охлаждается на 35°С. Этот интегральный эффект положен в основу большинства технических процессов сжижения газов (См. Сжижение газов).
         Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М., 1965; Ландау Л. Д., Лифшиц, Е. М., Статистическая физика, М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М. — Л., 1952.
         И. А. Яковлев.
        ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
        | Газ             | СО2          | Ar             | N2              | H2              | He              | Воздух        |
        |----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
        | Ti, max, K       | 1500         | 723           | 621            | 202            | 50              | 603              |
        ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
        
        
        Рис. 1. Схема опыта Джоуля — Томсона. В теплоизолированной трубке создаётся стационарный проток газа. После прохождения газа через дроссель его давление p, уд. объём V и температура Т изменяются.
        
        Рис. 2. Кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект Джоуля — Томсона положителен (ΔT < 0), вне кривой — отрицателен (ΔТ > 0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Поможем написать реферат

Полезное


Смотреть что такое "Джоуля - Томсона эффект" в других словарях:

  • ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА ЭФФЕКТ — изменение темп ры газа в результате адиабатич. дросселирования медл. протекания газа под действием пост. перепада давления сквозь дроссель местное препятствие газовому потоку (напр., пористую перегородку, расположенную на пути потока). Д. Т. э.… …   Физическая энциклопедия

  • ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА ЭФФЕКТ — ДЖОУЛЯ ТОМСОНА ЭФФЕКТ, см. Дросселирование (см. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ) …   Энциклопедический словарь

  • ДЖОУЛЯ-ТОМСОНА ЭФФЕКТ — [по имени англ. физиков Дж. П. Джоуля и У. Томсона (лорда Кельвина)], дроссель эффект, изменение темп ры газа при его адиабатич. дросселировании, т. е. понижении давления газа при его протекании через пористую перегородку, диафрагму или вентиль… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Джоуля-Томсона эффект — Джоуля Томсона эффект, см. Дросселирование …   Энциклопедический словарь

  • ДЖОУЛЯ - ТОМСОНА ЭФФЕКТ — см. Дросселирование …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Эффект Джоуля — Томсона — Статистическая физика Термодинамика Молекулярно кинетическая теория Статистики …   Википедия

  • Томсона эффект (термоэлектрич.) — Томсона эффект термоэлектрический, одно из термоэлектрических явлений. Состоит в том, что если вдоль проводника, по которому проходит электрический ток, существует перепад температур, то в дополнение к теплоте, выделяемой в соответствии с Джоуля… …   Большая советская энциклопедия

  • ТОМСОНА ЭФФЕКТ — дополнительное выделение или поглощение тепла (помимо тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля Ленца) при прохождении тока через проводник, в котором имеется перепад температуры. Количество тепла пропорционально току и перепаду… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Томсона эффект — дополнительное выделение или поглощение тепла (помимо тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля Ленца) при прохождении тока через проводник, в котором имеется перепад температуры. Количество тепла пропорционально току и перепаду… …   Энциклопедический словарь

  • Эффект Джоуля-Томсона — Статистическая физика Термодинамика Молекулярно кинетическая теория Статистики Максвелла Больцмана Бозе Эйнштейна · Ферми Д …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»