джоуля - томсона эффект

ДЖОУЛЯ - ТОМСОНА ЭФФЕКТ - изменение темп-ры газа при стационарном адиабатич. протекании его через пористую перегородку. Обнаружен и исследован Дж. П. Джоулем и У. Томсоном (W. Thomson) в 1852-62. В процессе Джоуля-Томсона газ, к-рый первоначально занимал объём V₁ при давлении P₁, перетекает через пористую перегородку, занимая после перехода объём V₂ при давлении P₂. Над системой совершается работа P₁V₁-P₂V₂, равная изменению внутр. энергии газа U₂-U₁, поскольку пористая перегородка гасит все его макроскопич. движения. Следовательно, при протекании газа в условиях тепловой изоляции остаётся постоянной энтальпия . Из условия постоянства H следует, что изменение темп-ры T на единицу давления (дифференциальный Д.-T. э.) равно

где - теплоёмкость при пост. давлении. Назв. "дифференциальный" означает малость величин и .

Для идеального газа Д.-T. э. равен нулю, а для реальных газов его знак зависит от знака выражения , к-рый определяется ур-нием состояния. Если при протекании газа через пористую перегородку темп-pa убывает, , то Д.-T. э. наз. положительным, если же темп-pa возрастает, , то Д.-T. э. наз. отрицательным. Темп-pa T_i, при к-рой Д.-T. э. меняет знак, наз. температурой инверсии. Совокупность точек инверсии на диаграмме P, T наз. кривой инверсии (рис.). Данному давлению P соответствуют две точки инверсии, между к-рыми Д.-T. э. положителен. Для большинства газов (кроме H и Не) верхняя точка лежит выше комнатной темп-ры. Для газа, описываемого Ван-дер-Ваальса уравнением, Д.-T. э. положителен, если , где R - газовая постоянная, т. е. константы ур-ния Ван-дер-Ваальса а и b оказывают противоположное влияние на знак Д.-T. э., к-рый определяется конкуренцией сил отталкивания и сил притяжения между молекулами. Кривая инверсии для газа Ван-дер-Ваальса соответствует ур-нию или в приведённых переменных , где - приведённое давление, - приведённая темп-pa,- критич. давление, Т_кр= - критическая температура.

Кривая инверсии для дифференциального Д.-T. э. в приведённых переменных . Сплошная кривая соответствует газу Ван-дер-Ваальса, пунктирная - экспериментальным данным для H,.

В процессе Джоуля-Томсона энтропия возрастает, это необратимый процесс. Д.-T. э.- один из осн. способов получения низких темп-р. Обычно для этой цели применяют Д.-T. э. в комбинации с адиабатич. расширением газа. Дифференциальный Д.-T. э. невелик, для воздуха град/атм0,25*10^-5 град/Па. В технике используют интегральный Д.-T. э., при к-ром давление изменяется в широких пределах. Измерение Д.-T. э. позволяет установить ур-ние состояния реального газа.

Лит.: Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., M., 1955, p 10; Сивухин Д. В., Общий курс физики, 2 изд., [ т. 2], M., 1979, p 19, 46, 104.

Д. H. Зубарев.

   <<      Предметный указатель      >>