Зміна температури газу при розширенні без теплообміну і здійсненні зовнішньої роботи
Ефект Джоуля -Томсона полягає в зміні температури реального газу в результаті протікання його під дією постійного перепаду тиску крізь дросель - місцеве перешкода потоку газу (капіляр, вентиль або пористу перегородку, розташовану в трубі на шляху потоку). Перебіг газу крізь дросель має відбуватися без теплообміну з навколишнім середовищем (адиабатически). У теплоизолированной трубці створюється стаціонарний потік газу (рис. 1).
Схема досвіду Джоуля - Томсона
Проходження газу через дросель (дрібнопориста пробка, наприклад, з вати) робить швидкість газового потоку малої. Тиск газу р. обсяг V і температура Т змінюються.
Ефект Джоуля - Томсона прийнято називати позитивним, якщо газ в процесі дроселювання охолоджується (D T <0), и отрицательным, если газ нагревается ( D T> 0). Згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини ефект Джоуля - Томсона свідчить про наявність в газі сил міжмолекулярної взаємодії. При взаємному тяжінні молекул внутрішня енергія U газу включає як кінетичну, так і потенційну енергію їх взаємодії. Розширення газу в умовах енергетичної ізоляції не міняє його внутрішньої енергії, але призводить до зростання потенційної енергії взаємодії молекул (оскільки відстані між ними збільшуються) за рахунок кінетичної енергії. В результаті тепловий рух молекул сповільнюється, температура газу, що розширюється буде знижуватися.
Залежно від умов дроселювання один і той же газ може як нагріватися, так і охолоджуватися. Температуру, при якій різниця температур (D T), проходячи через нульове значення, змінює свій знак, називають температурою інверсії ефекту Джоуля - Томсона. Крива інверсії (рис. 2) відокремлює сукупність станів газу (Р, V, T), при розширенні з яких він охолоджується, від станів, при розширенні з яких він нагрівається. Її характерний вид наведено на рис. 2.
Залежність інверсії від тиску
Значення верхніх температур інверсії (Т i max) для деяких газів наведені в таблиці 1.
В кінці ХІХ століття Дюара і Лінде було запропоновано використовувати для охолодження газів ефект Джоуля - Томсона. Цей принцип досі широко використовується в холодильній техніці. З використанням дросселирования аміаку працюють більшість промислових холодильників.
Ефект Джоуля - Томсона знайшов застосування в кріогенної техніки.
При великих перепадах тиску на дроселі температура газу може змінюватися значно. Наприклад, при дроселюванні від 20 до 0,1 МПа і початкової температурі 290 ° К повітря охолоджується на 35 ° К. Цей метод покладено в основу більшості технічних процесів скраплення газів.
Промислове стиснення газів з критичною температурою вище температури навколишнього середовища (наприклад, аміак, хлор) здійснюється з подальшою конденсацією газу в теплообмінниках, що охолоджуються водою.
При дросельному циклі скраплення газу (рис. 3) після стиснення в компресорі газ послідовно охолоджується і потім розширюється (дросселируется) у вентилі.
Дросельний цикл скраплення газу
3 - розширений газ;
При цьому частина газу зріджується і скупчується в збірці, а несжіжівающійся газ прямує в теплообмінники і охолоджує свіжі порції стислого газу.
Найпростіший досвід понаблюденію ефекту Джоуля - Томсона полягає в прокачуванні автомобільним насосом довгою (близько метра) трубки, забитої ватним або матерчаті пижом в середині. Охолодження повітря можна спостерігати по температурам відповідних колін трубки, або безпосередньо.
1. Варгафтік Н.Б. Довідник по теплофізичних властивостях газів і жідкостей.- М. Наука, 1972. - С. 720.
2. Фріш С.Е. Тіморева А.В. Курс загальної фізики. - М. Физматгиз, 1959. - Т.1. - С. 464.
Необхідна підтримка вбудованих фреймів.