Физический энциклопедический словарь - джоуля &mdash томсона эффект

Д.— Т. э. был обнаружен и исследован англ. учёными Дж. П. Джоулем и У. Томсоном (Кельвином) в 1852—62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась темп-pa в двух последоват. сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним). Вследствие значит. трения газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) скорость газового потока была очень малой и кинетич. энергия потока при дросселировании практически не изменялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внеш. средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе р=р1-p2, равном атм. давлению, измеренная разность темп-р T=T2-T1 для воздуха составила -0,25°С (опыт проводился при комнатной темп-ре). Для СО2 и Н2 в тех же условиях T оказалась соотв. равной -1,25 и +0,02°С. Д.— Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (T<0), и отрицательным, если газ нагревается (T>0).

Согласно молекулярно-кинетич. теории строения в-ва, Д.—Т. э. свидетельствует о наличии в газе сил межмол. вз-ствия (обнаружение этих сил и было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетич. энергию молекул, так и потенц. энергию их вз-ствия. Расширение газа в условиях энергетич. изоляции не меняет его внутр. энергии, но приводит к росту потенц. энергии вз-ствия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетич. энергии. В результате замедления теплового движения молекул темп-ра расширяющегося газа понижается. Реальные процессы сложнее, т. к. газ не изолирован энергетически от внеш. среды. Он совершает внеш. работу (последующие порции газа теснят предыдущие), а над самим газом совершают работу силы внеш. давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетич. баланса в опытах Джоуля — Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающего до дросселя объём У], равна p1V1. Эта же порция газа, занимающая за дросселем объём V2, совершает работу p2V2. Проделанная над газом результирующая внеш. работа A=p1V1-р2V2 в адиабатич. условиях может пойти только на изменение его внутр. энергии: U2-U1=p1V1-p2V2. Из этого соотношения следует, что U1+p1V1=U2+p2V2=h, где h — энтальпия газа (при адиабатич. дросселировании энтальпия газа сохраняется). Отсюда, зная ур-ние состояния газа и выражение для U, можно найти T.

Величина и знак Д.— Т. э. определяются соотношением между работой газа и работой сил внеш. давления, а также св-вами самого газа, в частности размером его молекул и их вз-ствием. Для идеального газа, молекулы к-рого 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.

Кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект Джоуля — Томсона положителен (T<0), вне кривой — отрицателен (T>0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю.

Темп-pa Тi, при к-рой (для данного давления) разность T, проходя через нулевое значение, меняет свой знак, наз. температурой инверсии Д.— Т. э. Типичная кривая зависимости темп-ры инверсии от давления (кривая инверсии) показана на рисунке. Кривая инверсии разделяет совокупность состояний газа (на рисунке — азота) на такие совокупности, при переходе между к-рыми он охлаждается, и на такие, между к-рыми он нагревается. Значение верхних температур инверсии

(Ti макс)

154

при р0 для ряда газов приведены ниже:

Д.— Т. э., характеризуемый малыми изменениями темп-ры T при малых перепадах давления р, наз. дифференциальным. В случае дифф. Д.— Т. э.

где cp — теплоёмкость газа при пост. давлении. При больших перепадах давления на дросселе темп-pa газа может изменяться значительно. Напр., при дросселировании от 200 до 1 атм и нач. темп-ре 17°С воздух охлаждается на 35°С. Этот интегральный Д.— Т. э. положен в основу многих техн. способов сжижения газов.

• Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.—Л., 1952; Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Л и ф ш и ц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М., 1965.

И. А. Яковлев.