Главная | Обратная связь

Эффект Джоуля — Томсона

 

Если идеальный газ адиабатически рас­ширяется и совершает при этом работу, то он охлаждается, так как работа в данном случае совершается за счет его внутрен­ней энергии. Подобный процесс, но с реальным газом — адиабатическое расширение реального газа с совершением внешними силами положительной рабо­ты — осуществили английские физики Дж. Джоуль (1818—1889) и У. Томсон (лорд Кельвин, 1824—1907).

Рассмотрим эффект Джоуля — Томсо­на. На рис. 93 представлена схема их опыта. В теплоизолированной трубке с по­ристой перегородкой находится два пор­шня, которые могут перемещаться без трения. Пусть сначала слева от перего­родки газ под поршнем 1 находится под давлением , занимает объем при тем­пературе , а справа газ отсутствует (поршень 2 придвинут к перегородке). После прохождения газа через пористую перего­родку в правой части газ характеризуется параметрами , , . Давления и поддерживаются постоянными ( > ).

Так как расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатически), то на основании первого начала термодинамики

. (1)

Внешняя работа, совершаемая газом, со­стоит из положительной работы при дви­жении поршня 2 ( ) и отрицатель­ной при движении поршня 1 ( ), т.е. . Подставляя выраже­ния для работ в формулу (1), полу­чим

(2)

Таким образом, в опыте Джоуля — Томсона сохраняется (остается неизменной) ве­личина . Она является функцией состояния и называется энтальпией.

Ради простоты рассмотрим 1 моль га­за. Подставив в формулу (2) выраже­ния и , рассчитанные из уравнения Ван-дер-Ваальса (2) значения и производя элементарные преобразова­ния, получим

(3)

Из выражения (3) следует, что знак разности температур зависит от того, какая из поправок Ван-дер-Ваальса играет боль­шую роль. Проанализируем данное выражение, сделав допущение, что и :

1) — не учитываем силы притя­жения между молекулами, а учитываем лишь размеры самих молекул. Тогда

— т. е. газ в данном случае нагревается;

2) — не учитываем размеров мо­лекул, а учитываем лишь силы притяже­ния между молекулами. Тогда

— т. е. газ в данном случае охлаждается;

3) учитываем обе поправки. Подставив в выражение (3) вычисленное из урав­нения Ван-дер-Ваальса значение , имеем

(4)

— т. е. знак разности температур зависит от значений начального объема и началь­ной температуры .

Изменение температуры реального га­за в результате его адиабатического рас­ширения, или, как говорят, адиабатиче­ского дросселирования — медленного про­хождения газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, по­ристую перегородку), называется эффек­том Джоуля — Томсона. Эффект Джоу­ля — Томсона принято называть положи­тельным, если газ в процессе дросселиро­вания охлаждается ( ), и отрица­тельным, если газ нагревается ).

В зависимости от условий дросселиро­вания для одного и того же газа эффект Джоуля — Томсона может быть как поло­жительным, так и отрицательным. Темпе­ратура, при которой (для данного давле­ния) происходит изменение знака эффек­та Джоуля — Томсона, называется температурой инверсии.

Ее зависимость от объема получим, приравняв выражение (4) к нулю:

(5)

Кривая, определяемая уравнением (5),— кривая инверсии — приведена на рис. 94. Область выше этой кривой со­ответствует отрицательному эффекту Джоуля — Томсона, ниже — положитель­ному. Отметим, что при больших перепа­дах давления на дросселе температура газа изменяется значительно. Так, при дросселировании от 20 до 0,1 МПа и на­чальной температуре 17 °С воздух охлаж­дается на 35 °С.

Эффект Джоуля — Томсона обуслов­лен отклонением газа от идеальности, наличием сил взаимодействия. При дросселировании мы как бы разъединяем молекулы, и эта работа осуществляется за счет уменьшения или увеличения средней кинетической энергии молекул.

Сжижение газов

Превращение любого газа в жидкость — сжижение газа — возможно лишь при температуре ниже критической. При ранних попытках сжижения газов оказалось, что некоторые газы ( , , ) легко сжижались изотермическим сжатием, а целый ряд газов ( , , , ) сжижению не поддавался. Подобные неудачные попытки объяснил Д. И. Мен­делеев, показавший, что сжижение этих газов производилось при температуре, большей критической, и поэтому заранее было обречено на неудачу. Впоследствии удалось получить жидкий кислород, азот и водород (их критические температуры равны соответственно 154,4, 126,1 и 33 К), а в 1908 г. нидерландский физик Г. Камерлинг-Оннес (1853—1926) добился сжижения гелия, имеющего самую низкую критическую температуру (5,3 К).

 

Для сжижения газов чаще применяют­ся два промышленных метода, в основе которых используется либо эффект Джоу­ля — Томсона, либо охлаждение газа при совершении им работы.

Схема одной из установок, в которой используется эффект Джоуля Томсона,— машины Линде — представлена на рис. 95. Воздух в компрессоре (К) сжима­ется до давления в десятки мегапаскаль и охлаждается в холодильнике (X) до температуры ниже температуры инверсии, в результате чего при дальнейшем расши­рении газа наблюдается положительный эффект Джоуля — Томсона (охлаждение газа при его расширении). Затем сжатый воздух проходит по внутренней трубе теп­лообменника (ТО) и пропускается через дроссель (Др), при этом он сильно расши­ряется и охлаждается. Расширившийся воздух вновь засасывается по внешней трубе теплообменника, охлаждая вторую порцию сжатого воздуха, текущего по внутренней трубе. Так как каждая следую­щая порция воздуха предварительно ох­лаждается, а затем пропускается через дроссель, то температура понижается все больше. В результате 6—8-часового цикла часть воздуха (»5%), охлаждаясь до температуры ниже критической, сжижает­ся и поступает в дьюаровский сосуд (ДС) , а остальная его часть возвра­щается в теплообменник.

Второй метод сжижения газов основан на охлаждении газа при совершении им работы. Сжатый газ, поступая в поршне­вую машину (детандер), расширяется и совершает при этом работу по передви­жению поршня. Так как работа соверша­ется за счет внутренней энергии газа, то его температура при этом понижается.

Академик П. Л. Капица предложил вместо детандера применять турбодетандер, в котором газ, сжатый всего лишь до 500—600 кПа, охлаждается, совершая ра­боту по вращению турбины. Этот метод успешно применен Капицей для сжижения гелия, предварительное охлаждение кото­рого производилось жидким азотом. Со­временные мощные холодильные установ­ки работают по принципу турбодетандера.