ДЖОУЛЯ — ТОМСОНА ЭФФЕКТ

Изменение темп-ры газа в результате адиабатич. дросселирования — медл. протекания газа под действием пост. перепада давления сквозь дроссель — местное препятствие газовому потоку (напр., пористую перегородку, расположенную на пути потока).

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 Dр=р1-p2, равном атм. давлению, измеренная разность темп-р DT=T2-T1 для воздуха составила -0,25°С (опыт проводился при комнатной темп-ре). Для СО2 и Н2 в тех же условиях DT оказалась соотв. равной -1,25 и +0,02°С. Д.— Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (DT<0), и отрицательным, если газ нагревается (DT>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 DT.

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 (DT<0), вне кривой — отрицателен (DT>0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю.

Темп-pa Тi, при к-рой (для данного давления) разность DT, 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) при р®0 для ряда газов приведены ниже:

Д.— Т. э., характеризуемый малыми изменениями темп-ры DT при малых перепадах давления Dр, 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.