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.
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|