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焦耳-湯姆孫效應

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1概述

焦耳-湯姆孫效應(Joule-Thomson effect),指氣體通過多孔塞膨脹后所引起的溫度變化現象。1852年,英國物理學家J.P.焦耳和W.湯姆孫(即開爾文)為了進一步研究氣體的內能,對焦耳氣體自由膨脹實驗作了改進。他們的實驗裝置類似如圖1所示。C1、C2為兩個可移動的絕熱活塞。多孔塞一邊維持一定的較高的壓強p1,另一邊維持在較低壓強p2。緩慢地推動C1,氣體從p1一邊經多孔塞流向p2一邊,同時亦緩慢地使C2向右移動,但保持p1,p2不變。這種過程叫節流過程。由於這過程是在絕熱系統中進行,所作的凈功應等於系統內能的改變。 於是在過程的前後有:U1+p1V1=U2+p2V2=恆量,即過程前後焓H相等。在這過程中,系統溫度隨壓強改變的現象稱為焦耳-湯姆孫效應,並把氣體溫度T隨壓強p的變化率定義為焦耳-湯姆孫係數

2溫度的改變引起的變化

溫度的改變由圖中的兩個靈敏溫度計測出。氣體從較高壓強向較低壓強膨脹時變冷,即μ>0時的效應稱致冷效應或正焦耳-湯姆孫效應;若μ<0則為致熱效應或負焦耳-湯姆孫效應。μ=0的點稱轉變點,這時節流后溫度無變化,稱零焦耳-湯姆孫效應。理想氣體所反映的始終是零焦耳-湯姆孫效應。對真實氣體,若保持p1、T1不變,改變p2而得到一系列相應不同的T2,這樣在T-p圖上所得的曲線稱等焓線。在不同的T1溫度下重複這種測量可得一系列的等焓線,連接各條等焓線上的轉變點所得到的軌跡稱轉換曲線(圖2)。在轉換曲線右邊的區域是致熱區,區內呈現出負焦耳-湯姆孫效應;左邊是致冷區,區內呈現正焦耳-湯姆孫效應。所以,若節流過程發生在致冷區時,氣體經節流后溫度降低;發生在致熱區時則溫度升高。在致冷區內多次應用焦耳-湯姆孫效應,可使氣體液化。在室溫下若氣體(如氫氣)發生負焦耳-湯姆孫效應,則可先行預冷(例如對氫用液態空氣預冷)使其溫度降到致冷區,然後用上面方法使其液化。現在這種使氣體液化的方法已被廣泛採用。

3意義

絕熱節流過程的研究,對於氣體的液化,以及汽輪機 、噴氣機、壓氣機和壓縮器等裝置中噴管和擴壓管的設計有重要意義。   
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