Эффект Джоуля-Томсона

В реальном газе между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Силы притяжения обусловлены дипольным взаимодействием молекул. Некоторые молекулы могут представлять собой постоянные диполи. Для неполярных молекул основой притяжения является взаимодействие мгновенных осциллирующих диполей. Силы отталкивания обусловлены взаимодействием электронных оболочек молекул. Они проявляются в основном при сближении молекул и быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. Силы же притяжения наоборот преобладают при большом расстоянии между молекулами. Результирующая сила взаимодействия двух молекул равна сумме этих сил и имеет вид, изображенный на рис. 11.4 . При расстоянии между молекулами r = r_o сила отталкивания равна силе притяжения и результирующая сила F = 0 . При расстоянии между молекулами r < r_o преобладает сила отталкивания, при расстоянии r > r_o преобладает сила притяжения.

Наличие этих сил проявляется в эффекте дросселирования газа, схема которого представлена на рис.11.5. Газ из сосуда A с высоким давлением перетекает в сосуд B с низким давлением через патрубок с пористой перегородкой 1. В патрубке помещены термометры, измеряющие температуры T₁ и T₂ газа до и после пористой перегородки. При таком расширении газ работу не совершает, тепло газу не передается и в согласии с первым началом термодинамики изменение внутренней энергии газа DU = 0. Следовательно, при дросселировании идеального газа его температура на должна изменяться: T₁ = T₂ . Внутренняя энергия реального газа складывается из кинетической энергии молекул U_к и потенциальной энергииих взаимодействия U_п , т.е. U = U_к + U_п . При расширении газа межмолекулярные расстояния увеличиваются и взаимная потенциальная энергия молекул изменяется. Следовательно, должны изменяться их кинетическая энергия DU_к и температура газа, причем т.к. DU = 0,то DU_к = -DU_п. Если при дросселировании газа преобладают силы притяжения между молекулами (r > r_o) , то при этом будет совершаться работа против сил притяжения и потенциальная энергия молекул при увеличении объема газа увеличится, а значит, кинетическая энергия молекул и температура газа уменьшится. Такой эффект Джоуля-Томсона называют положительным. Если между молекулами газа преобладают силы отталкивания, то газ при дросселировании нагревается, и эффект называют отрицательным. Устройства, использующие положительный эффект Джоуля-Томсона, позволили впервые получить сжиженные газы.