Исследование процесса дросселирования. Эффект Джоуля — Томсона

В каждом реальном газе имеются силы притяжения между моле­кулами, и если газ расширяется, то на увеличение расстояния меж­ду частицами или на изменение внутренней потенциальной энергии тела всегда затрачивается работа, что связано с изменением тем­пературы.

Отношение изменения температуры реального газа при дрос­селировании без подвода и отвода тепла и без совершения внешней работы к изменению давления в этом процессе называют эффектом Джоуля — Томсона. Это явление было открыто Джоулем и Томсоном опытным путем в 1852 г.

Для идеального газа эффект Джоуля — Томсона равен нулю, так как температура гaзa в результате процесса дросселирования не изменяется. Следовательно, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется отклонением свойств ре­альных газов от идеального, что обусловлено действием межмоле­кулярных сил.

Процесс дросселирования 1 кг рабочего тела сопровождается затратой или совершением внешней работы (работы проталкивания) p₂v₂ — p₁v₁- При этом произведение p₂v₂ характеризует работу, затраченную телом на вытеснение среды, а произведение p₁v₁ — работу среды над рабочим телом. Так как при дросселировании ко­нечное давление р₂ всегда меньше начального p₁ а удельный объем v₂ всегда больше v₁ то разность p₂v₂ — p₁v₁ в общем случае может быть положительной или отрицательной и, в частном случае, рав­ной нулю.

Поскольку для адиабатного процесса дросселирования справед­ливо равенство i₁ = i₂, т. е. u₁ + p₁v₁ = и₂ + p₂v₂, или u₁ — u₂ = = p₂v₂ — p₁v₁ то отсюда следует, что внешняя работа (работа проталкивания) в этом процессе совершается за счет убыли внут­ренней энергии тела.

Внутренняя энергия реального газа вследствие наличия межмо­лекулярных сил состоит из двух частей: кинетической составляющей, являющейся функцией только температуры, и потенциальной со­ставляющей, определяемой положением молекул и зависящей кроме температуры еще и от объема, увеличиваясь при его возрастании.

При дросселировании потенциальная составляющая внутрен­ней энергии вследствие увеличения объема всегда возрастает.

Если бы p₂v₂ — p₁v₁ = 0 и, следовательно, u₁ — и₂ — 0, а по­тенциальная составляющая внутренней энергии увеличилась бы, то кинетическая составляющая должна при этом уменьшиться. Такой процесс дросселирования будет сопровождаться охлажде­нием газа (T₂<T₁).

Еще большее охлаждение реального газа будет при положитель­ной внешней работе, т. е. когда p₂v_z>p₁v₁ и u₂<u₁- В этом случае понижение температуры будет обусловлено не только возрастанием потенциальной составляющей внутренней энергии, но и соверше­нием газом внешней работы (также за счет внутренней энергии).

В большинстве практических случаев внешняя работа имеет от­рицательное значение, т. е. p₂v₂<p₁v₁, или иначе процесс дрос­селирования сопровождается затратой внешней работы, идущей на увеличение внутренней энергии газа (u₂>u₁). Если при этом внеш­няя работа p₂v_z — p₁v₁ по абсолютной величине будет больше при­роста потенциальной составляющей внутренней энергии, то избы­ток работы пойдет на увеличение ее кинетической составляющей и газ будет нагреваться (T₂>Ti).

В частном случае абсолютное значение p₂v₂ — p₁v₁ в процессе дросселирования может оказаться равным росту потенциальной составляющей внутренней энергии и при этом кинетическая со­ставляющая останется без изменения, а следовательно, не изменит­ся и температура газа (T₁ = Т₂).

Этот случай называется инверсией газа, а температура газа, при которой он происходит,называется температурой инверсии Т_инв. Следовательно, процесс дросселирования реального газа при температуре инверсии внешне не отличается от дросселирова­ния идеального газа.

Если при p₂v₂<p₁v₁абсолютное значение внешней работы будет меньше возрастания потенциальной составляющей внутренней энергии в процессе дросселирования, то кинетическая составляю­щая несколько уменьшится, т. е. газ будет охлаждаться. Следова­тельно, при отрицательной внешней работе могут быть случаи дрос­селирования, когда температура реального газа увеличивается, остается без изменения и уменьшается.