39. Эффект Джоуля—Томсона

Изменение температуры реального газа в результате его адиабатного расширения, или адиабатного дросселирования — медленного прохождения газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, пористую перегородку), называется эффектом Джоуля — Томсона.

Рассмотрим данный эффект. На рисунке представлена схема их опыта.

В теплоизолированной трубке с пористой перегородкой находятся два поршня. Пусть сначала слева от перегородки газ под поршнем 1 находится под давлением p₁ и занимает объем V₁ при температуре Т₁, а справа газ отсутствует (поршень 2 придвинут к перегородке). После прохождения газа через пористую перегородку в правой части он стал характеризоваться параметрами р₂ (давление), V₂ (объем), Т₂ (температура). Давления р₁ и р₂поддерживаются постоянными (р1 > р2).

Так как расширение газа происходит без теплообмена с окружающей средой (адиабатно), то на основании первого начала термодинамики (U – внутренняя энергия)

. (1)

Так как внешняя работа, совершаемая газом, состоит из положительной работы при движении поршня 2 ( ) и отрицательной при движении поршня 1 ( ), то подставляя эти значения в формулу (1) получим

. (2)

(3) (4)

(Cv – молярная теплоемкость газа, Vm – молярный объем, R – молярная газовая постоянная, a – сила притяжения молекул, b – размер молекул)

Подставляя в формулу (2) выражения внутренней энергии (3) и уравнение Ван-дер-Ваальса (4) и производя элементарные преобразования, получаем

Если температура прошедшего газа ниже, чем изначального, то эффект Джоуля Томсона называют положительным ( ), а если выше, то отрицательным ( ).

Эффект Джоуля —Томсона обусловлен отклонением газа от идеальности. Для 1 моль идеального газа рV_m = RT, поэтому выражение (2) примет вид

откуда следует, что .

40. Сжижение газов

Сжижение газов - превращение любого газа в жидкость. Это возможно лишь при температуре ниже критической.Например, критическая температура сжижения кислорода, азота и водорода равна соответственно 154,4, 126,1 и 33К. Самая низкая температура сжижения среди газов у гелия - 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 Линдех — представлена на рисунке. Воздух в компрессоре (К) сжимается и охлаждается в холодильнике (Х) 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).

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 охлаждется до температуры ниже критической и, сжижаясь, поступает в дьюаровский сосуд (ДС).

Второй метод 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. Также вместодетандера с поршнем применяют турбодетандер, в котором газ совершает работу по вращению турбины.