Эффект Джоуля-Томсона. Зависимость внутренней энергии идеального газа от температуры и объёма даёт возможность получения низких температур за счёт расширения газа

Зависимость внутренней энергии идеального газа от температуры и объёма даёт возможность получения низких температур за счёт расширения газа.

Особый интерес представляет процесс, предложенный Джоулем и осуществлённый позднее Томсоном (Кельвином). В трубе с теплоизолированными стенками, разделённой на две части пористой перегородкой А, могут перемещаться два поршня. В начале эксперимента 1 моль некоторого реального газа занимает объём V ₁ между левым поршнем и перегородкой при температуре Т ₁ и давлении р ₁. Правый поршень занимает положение вплотную к перегородке и находится под давлением р ₂ (рис.1.7). В процессе эксперимента левый поршень под давлением р ₁ медленно продавливает газ через перегородку. При этом правый поршень перемещается под давлением р ₂. В результате этих действий весь газ оказывается справа от перегородки, занимая объём V ₂ при температуре Т ₂ и давлении р ₂ (рис.1.8). Определим соотношение между температурами Т ₁ и Т ₂.

В соответствии с первым началом термодинамики при адиабатном процессе продавливания газа, или, как говорят, в процессе дросселирования газа, изменение внутренней энергии равно

. (1.74)

Пусть объём V ₂ настолько велик, что газ после дросселирования можно считать идеальным. Тогда:

,

учитывая, что , получим

. (1.75)

Теперь рассмотрим несколько случаев:

1. Пусть в объёме V ₁ тоже находится идеальный газ, т.е. a = b = 0. Это значит, что Т ₁ = Т ₂ и эффект Джоуля-Томпсона не наблюдается.

2. Пусть между молекулами в реальном газе преобладают силы отталкивания, т.е. силы притяжения стремятся к нулю (a = 0). В этом случае
Т ₂ > Т ₁, наблюдается эффект Джоуля-Томпсона – изменение температуры реального газа при очень малом адиабатическом изменении объёма и давления. В данном случае газ нагревается. Это можно объяснить тем, что при наличии одних только сил отталкивания между молекулами газ представляет собой как бы сжатую пружину. При расширении газа потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию хаотического движения молекул.

3. Пусть между молекулами в реальном газе преобладают силы притяжения, т.е. силы отталкивания стремятся к нулю (b = 0). Тогда Т ₂ < Т ₁, также наблюдается эффект Джоуля-Томпсона. В данном случае газ охлаждается. Объяснение такого эффекта аналогично: охлаждение является следствием того, что для расширения газу необходимо совершить работу против сил притяжения между молекулами. При этом их кинетическая энергия должна уменьшиться.

Третий случай выполняется для многих газов и применяется в технике (для получения низких температур).

Дата добавления: 2015-05-09