Эффект Джоуля - Томсона

Адиабатическое дросселирование — медленное прохождение газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, пористую перегородку).

Изменение температуры реального газа в результате его адиабатического расширения, называется эффектом Джоуля - Томсона.

Рассмотрим эффект Джоуля — Томсона. На рис. представлена схема их опыта. В теплоизолированной трубке с пористой перегородкой находятся два поршня, кото­рые могут перемешаться без трения. Пусть сначала слева от перегородки газ под поршнем 1 находится под давлением р₁, занимает объем V₁ при температуре Т₁, а справа газ отсутствует (поршень 2 придвинут к перегородке). После прохождения газа через пористую перегородку в правой части газ характеризуется параметрами р₂, V₂, T₂. Давления p₁ и p₂ поддерживаются постоянными (p₁>p₂).

Так как расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатически), то на основании первого начала термодинамики

(1)

Внешняя работа, совершаемая газом, состоит из положительной работы при движении поршня 2 (А₂=р₂V₂) и отрицательной при движении поршня 1 (A₁=p₁V₁), т.е. dA=A2-A1. Подставляя выражения для работ в формулу (1), получаем

(2)

Таким образом, в опыте Джоуля — Томсона сохраняется (остается неизменной) величина U+pV. Она является функцией состояния и называется энтальпией.

В зависимости от условий дросселирования для одного и того же газа эффект Джоуля — Томсона может быть как положительным, так и отрицательным. Эффект положительный, если газ в процессе дросселирования охлаждается (DT<0), и отрицательный, если газ нагревается (DT>0).

Температура, при которой (для данного давления) происходит изменение знака эффекта Джоуля — Томсона, называется температурой инверсии.

(3)

Кривая, определяемая уравнением (3), — кривая инверсии — приведена на рис. Область выше этой кривой соответствует отрицательному эффекту Джоуля — Томсона, ниже — положительному. Отметим, что при больших перепадах давления на дросселе температура газа изменяется значительно. Так, при дросселировании от 20 да 0,1 МПа и начальной температуре 17° С воздух охлаждается на 35° С.

Эффект Джоуля — Томсона обусловлен отклонением газа от идеальности. В самом деле, для моля идеального газа рV_m=RТ, поэтому выражение (2) примет вид

откуда следует, что Т₁ = T₂.