ДРОССЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ (ЭФФЕКТ ДЖОУЛЯ-ТОМСОНА)

Дроссельный эффект был обнаружен Джоулем и Томсоном опытным пу­тем в 1852 г. [Опытами было установлено, что в результате дросселирования изменяется температура рабочего тела. Это явление было названо эффектом Джоуля-Томсона. Изменение температуры при дросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы притяжения и отталкива­ния между молекулами. При дросселировании происходит расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все это приводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратой рабо­ты, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры.

Температура идеального газа в результате дросселирования не изменяет­ся, и эффект Джоуля-Томсона в данном случае равен нулю. Таким образом, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется величиной отклонения свойств реального газа от идеального, что связано с действием межмолекулярных сил.

Различают дифференциальный и интегральный температурные дроссель-эффекты. При дифференциальном эффекте Джоуля-Томсона температура изменяется на бесконечно малую величину, а при интегральном - на конеч­ную величину. Если давление газа уменьшается на бесконечно малую вели­чину dp, то происходит бесконечно малое изменение температуры, т.е. dT_i = a_idp_i или

(7.18)

Величина a_i называется дифференциальным температурным эффектом Джоуля-Томсона. Значение а, можно определить из уравнения (см. § 5.48)

Учитывая, что при дросселировании нет изменения энтальпии (di = 0), полу­чим

Отсюда

(7.19)

Дроссельный эффект может быть положительным, отрицательным и рав­ным нулю. Положительный дроссель-эффект имеет место в случае, когда при дроселировании температура газа понижается. Отрицательный - когда по­вышается. В случае неизменности температуры при дросселировании на­блюдается нулевой эффект Джоуля-Томсона. Состояние реального газа при дросселировании, когда дроссельный эффект равен нулю, называется точкой инверсии. В этой точке происходит смена знака температурного эффекта. Если температура газа перёд дросселированием меньше температуры инвер­сии, то газ при дросселировании охлаждается, если больше - то нагревается.

Для нахождения условий, при которых происходит изменение температу­ры газа или она остается неизменной, необходимо проанализировать уравне­ние (7.19), записанное в виде

(7.20)

При дросселировании dp < 0, так как давление газа всегда уменьшается. Теплоемкость с_р - величина положительная. Отсюда следует, что знак dT

зависит от знака выражения и всегда ему противоположен.

Тогда при , при ,

при T(dv / dT)_p - v = 0 dT = 0. Случай, когда dT = 0 можно использовать для

получения температуры инверсии Т_нн.

T(dv/dT)_р -v = 0, T_нн=v/(dv/dT)_р .

Последнее выражение называется уравнением кривой инверсии (кривой, на которой дроссельный эффект равен нулю).

Интегральный эффект Джоуля-Томсона определяется в результате интег­рирования уравнения (7.20)

.

ГАЗОВЫЕ СМЕСИ

В технике довольно часто приходится иметь дело с газообразными веще­ствами, представляющими механическую смесь отдельных газов, по своим свойствам приближающуюся к идеальным газам.

Например, атмосферный воздух представляет газовую смесь, включаю­щую азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и ряд других газов. Оп­ределение параметров необходимо для решения многих практических задач.

Газовой смесью называется смесь отдельных газов, химически не реаги­рующих между собой, т.е. каждый газ в смеси полностью сохраняет все свои свойства и занимает весь объем смеси. Давление, которое создают молекулы каждого отдельного газа смеси, при условии, что этот газ находится один в том же количестве в том же объеме и при той же температуре, что и в смеси, называется парциальным (частичным) давлением.

Будем считать, что каждый отдельный газ смеси подчиняется уравнению (2.7), т.е. является идеальным газом. Поэтому параметры газовой смеси так же могут быть вычислены по уравнению Клапейрона

pV = mRT,