Эффект Джоуля-Томсона

Для идеального газа справедливо соотношение:

Þ Т₂ = Т₁,

т.е. при дросселировании идеального газа его температура не изменяется.

Так как давление идеального газа после дросселирования не восстанавливается (р₂ < р₁), а температура не изменяется (Т₂ = Т₁ или р₂u₂ = р₁u₁), то удельный объем газа увеличивается (u₂ > u₁).

Дросселирование реального газа или пара является типичным необратимым процессом.

Поведение реальных газов отличается от поведения идеальных. Экспериментальные исследования показали, что температура реальных газов при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной. Научное обоснование такого эффекта для реальных газов дали У.Томсон и Дж.Джоуль, вследствие чего явление получило название эффекта Джоуля-Томсона.

Физическую сущность эффекта Джоуля-Томсона можно выяснить, проведя анализ течения газа по каналу малого диаметра, соединяющему два участка трубы. В общем случае скорость потока в левой и правой части трубы может быть различной. Пусть, например, w₁ > w₂. Поместим в сечениях трубы I и II невесомые поршни, которые могут перемещаться в ней без трения. Перемещение левого поршня вправо будет вызывать перетекание газа через узкий канал в полость под правым поршнем. Под действием давления р₂ правый поршень будет перемещаться вправо. Из-за дросселирующего действия узкого канала давление р₁ будет всегда больше давления р₂ (р₁ > p₂), а удельный объем – меньше (u₁ < u₂).

При этом левый поршень, перемещаясь под действием окружающей среды, совершает отрицательную работу над рабочим телом. Правый поршень, перемещается под действием рабочего тела, следовательно, работа, совершаемая рабочим телом, будет положительной.

На основании равенства h₁ = h₂ можно записать:

, или

.

Так как трубка малого диаметра, через которую перетекает газ из левой части трубы в правую, представляет собой некоторое сопротивление, то на преодоление этого сопротивления затрачивается энергия в механической форме, равная . Эта энергия целиком преобразуется из механической формы в тепловую и, следовательно, изменяет внутреннюю энергию газа.

С другой стороны, внутренняя энергия реального газа вследствие наличия межмолекулярных сил взаимодействия состоит из двух частей:

- кинетической составляющей Е_К, являющейся функцией только температуры;

- потенциальной составляющей Е_П, определяемой положением молекул и зависящей как от температуры, так и от объема.

Потенциальная энергия зависит от расстояния между молекулами, т.е. пропорциональна удельному объему, поэтому в процессе дросселирования всегда возрастает на величину, зависящую от сжимаемости газа.

Итак, можно записать:

.

Тогда можно записать:

, Þ

Анализ записанных выражений позволяет сделать следующие выводы:

1. Если затраты внешней работы больше, чем приращение внутренней потенциальной энергии ( ), то избыток внешней работы идет на увеличение кинетической энергии ( ) потока газа и температура его при дросселировании повышается.

2. Если работа проталкивания расходуется только на расширение газа, т.е. только на увеличение его внутренней потенциальной энергии ( ), то внутренняя кинетическая энергия не изменяется ( ), а значит, не изменяется и температура газа.

3. Если затраты внешней работы меньше, чем вызванное расширением увеличение потенциальной энергии ( ), то недостающая внешняя работа компенсируется уменьшением внутренней кинетической энергии ( ). В этом случае при расширении работа по преодолению сил притяжения между молекулами совершается за счет части внутренней кинетической энергии, температура газа понижается. Этим объясняется физическая сущность эффекта Джоуля-Томсона.