Энциклопедический словарь, 1998 г.
см. Дросселирование.
Большая Советская Энциклопедия
Джоуля ≈ Томсона эффект, изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель ≈ местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель ( дросселирование ) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой (адиабатически). Д. ≈ Т. э. был обнаружен и исследован английским учёными Дж. Джоулем и У. Томсоном в 1852≈62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась температура в двух последовательных сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 1). Значительное трение газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) делало скорость газового потока ничтожно малой, так что при дросселировании кинетическая энергия потока была очень мала и практически не менялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внешней средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе Dp = p1 ≈ р2, равном 1 атмосфере (1,01×105н/м2), измеренная разность температур DT = T2 ≈ T1 для воздуха составила ≈ 0,25╟С (опыт проводился при комнатной температуре). Для углекислого газа и водорода в тех же условиях DТ оказалась, соответственно, равной -1,25 и +0,02╟С. Д. ≈ Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (DТ < 0), и отрицательным, если газ нагревается (DТ > 0). Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества, Д. ≈ Т. э. свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия (обнаружение этих сил было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, температура расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к Д. ≈ Т. э., сложнее, т.к. газ не изолирован энергетически от внешней среды. Он совершает внешнюю работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внешнего давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетического баланса в опытах Джоуля ≈ Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающей до дросселя объём V1, равна p1V
Эта же порция газа, занимая за дросселем объём V2, совершает работу p2V
-
Проделанная над газом результирующая внешняя работа A = p1V1 ≈ p2V2 может быть как положительная, так и отрицательная. В адиабатических условиях она может пойти только на изменение внутренней энергии газа: A = U2 ≈ U
-
Отсюда, зная уравнение состояния газа и выражение для U, можно найти DT.
Величина и знак Д. ≈ Т. э. определяются соотношением между работой газа и работой сил внешнего давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул.
Для идеального газа, молекулы которого 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. Температура, при которой (для данного давления) разность DT, проходя через нулевое значение, меняет свой знак, называется температурой инверсии Д. ≈ Т. э. Типичная кривая зависимости температуры инверсии от давления показана на рис.
-
Кривая инверсии отделяет совокупность состояний газа, при переходе между которыми он охлаждается, от состояний, между которыми он нагревается. Значения верхних температур инверсии (Ti, max, рис. 2) для ряда газов приведены в таблице.
Д. ≈ Т. э., характеризуемый малыми значениями DT при малых перепадах давления Dр, называют дифференциальным. При больших перепадах давления на дросселе температура газа может изменяться значительно. Например, при дросселировании от 200 до 1 атмосферы и начальной температуре 17╟С воздух охлаждается на 35╟С. Этот интегральный эффект положен в основу большинства технических процессов сжижения газов .
Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М., 1965; Ландау Л. Д., Лифшиц, Е. М., Статистическая физика, М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М. ≈ Л., 1952.
И. А. Яковлев.
Газ
СО2
Ar
N2
H2
He
Воздух
Ti, max, K
1500
723
621
202
50
603
-