Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона

В случае медленно протекающего адиабатического расширения реального газа при изменении давления от р₁ до р₂ происходит изменение температуры. Это явление получило название эффекта Джоуля-Томсона, а сам процесс – процессом Джоуля – Томсона.

На рисунке 9.7. изображена схема неравновесного расширения газа в адиабатических условиях (Q=0). В середине цилиндра, помещенного в адиабатическую оболочку, находится пористая перегородка С, препятствующая быстрому прохождению газа.

Из части А поршнем П₁ через перегородку под давлением р₁ продавливается газ, в результате чего объем газа изменяется от V₁ до нуля. При этом в части В перемещается поршень П₂ и объем газа при постоянном давлении изменяется от нуля до V₂. Так как давление р₁ и р₂ постоянны, то в части А газ совершает работу

,

а в части В – работу

Согласно первому закону термодинамики для адиабатического процесса

(9.3.1)

Отсюда следует, что в процессе Джоуля – Томсона энтальпия системы не изменяется:

, (9.3.2)

где Н₁ и Н₂ – энтальпия соответствующие начальному и конечному состояниям системы.

Для идеального газа и , отсюда энтальпия равна

, (9.3.3)

т.е. энтальпия для постоянной массы газа зависит от температуры.

Из (9.3.2) и (9.3.3) следует, что в процессе Джоуля – Томсона температура идеального газа не изменяется: ΔТ=0.

Охлаждение газа при расширении называют положительным эффектом Джоуля-Томсона (ΔТ<0), нагревание – отрицательным (ΔТ>0).

При плавном изменении температуры от значения Т₁ до Т₂ знак эффекта Джоуля-Томсона изменяется с положительного на отрицательный. Это происходит при температуре, называемой температурой инверсии Т_i. температура инверсии зависит от давления и свойств газа, поэтому при одной и той же температуре некоторые газы могут нагреваться, а другие охлаждаться. Например, при комнатной температуре и невысоком давлении воздух в процессе Джоуля-Томсона охлаждается, тогда как для такого же эффекта водород следует охладить до 200 К, а гелии – до 40 К.

С молекулярно – кинетической точки зрения знак эффекта Джоуля-Томсона зависит от того, какой фактор неидеальности газа при данной температуре преобладает: силы притяжения или размер молекул, т.е. какая из постоянных Ван-дер-Ваальса а или b играет более существенную роль.

Эффект Джоуля – Томсона широко используется при сжижении газов.