Эффект Джоуля – Томсона

 

Эффектом Джоуля-Томсона называют изменение температуры при протекании газа под действием перепада давлений сквозь какое-либо локальное препятствие – дроссель. Дросселем может служить пористая перегородка, узкий участок трубки, вентиль и т.п. Система, в которой наблюдается процесс Джоуля-Томсона (процесс дросселирования), изображена на рис. 19.1.

В теплоизолированной трубке помещена пробка из пористого материала. Под действием разности давлений газ медленно протекает через перегородку. Благодаря медленности процесса в газе не возникает турбулентных течений. Кроме того, можно пренебрегать кинетической энергией упорядоченного движения. В таких условиях состояния газа по обе стороны перегородки можно считать равновесными. На начальных этапах процесса пробка и газ обменивались теплотой. С течением времени процесс становится стационарным, внутренняя энергия пробки перестает меняться. Слева от перегородки давление газа Р1 и температура Т1 поддерживаются постоянными. При стационарном течении по правую сторону перегородки устанавливается давление Р2, которое всегда меньше Р1, и температура Т2. Если газ охлаждается (Т2 < T1) эффект Джоуля-Томсона называется положительным, а если нагревается (T2 > T1) – отрицательным.

Рассмотрим прохождение через перегородку некоторой порции газа. Пусть по левую сторону от дросселя она имела объем V1и внутреннюю энергию U1, а после прохождения имеет объем V2 и внутреннюю энергию U2. Полученное газом тепло равно нулю, так как в стационарных условиях теплообмен между газом и пробкой уже прекратился, а стенки трубки адиабатические. Тогда изменение внутренней энергии равно работе, произведенной над газом внешними силами.

.

Это соотношение можно переписать в виде

,

или, вспомнив, что энтальпия H = U + PV,

Н2 = Н1.

Таким образом, в процессе Джоуля-Томсона энтальпия газа остается неизменной.

Так как энтальпия идеального газа зависит только от температуры, то из постоянства энтальпии следует, что температура идеального газа в процессе Джоуля-Томсона не меняется. Для реальных газов процесс сопровождается либо нагреванием, либо охлаждением. Поскольку при дросселировании всегда , знак эффекта определяется знаком отношения . Если рассматривать дифференциальный эффект Джоуля-Томсона, когда перепад давлений мал ( ), можно считать

.

Чтобы найти производную (¶T/P)H запишем дифференциал энтальпии в переменных температура и объем Н = Н(Т,Р) и приравняем его нулю

.

Из этого следует

. (19.1)

Так как , то .

Используя соотношение Максвелла (16.8), получим

. (19.2)

Учитывая, что , можно записать

. (19.3)

Теплоемкость СР всегда больше нуля, поэтому знак эффекта Джоуля-Томсона определяется знаком числителя правой части равенства (19.3). Чтобы его определить, достаточно знать уравнение состояния газа. Если газ идеальный, то , а потому DТ = 0. Изменение температуры реальных газов будет рассмотрено позднее, когда в нашем распоряжении будут уравнения состояния реальных газов.

Наряду с дифференциальным эффектом рассматривают также интегральный эффект Джоуля-Томсона. В этом случае перепад давлений велик, и может составлять десятки и даже сотни атмосфер. Изменения температуры тоже значительны. Поэтому интегральный эффект применяется для получения низких температур. При вычислении изменения температуры можно рассматривать интегральный эффект как последовательность дифференциальных эффектов. Таким путем приходим к выражению

. (19.4)

При практическом использовании эффекта Джоуля-Томсона часто бывает, что в исходном состоянии газ находится под высоким давлением, а после дросселирования давление падает настолько низко, что газ можно считать идеальным. В этом случае изменение температуры проще найти не по формуле (19.4), а непосредственно пользуясь равенством энтальпий в начальном и конечном состояниях. Соответствующий расчет будет проведен позднее для газа Ван-дер-Ваальса.

 






Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 448; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2017 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.