Метод обратимого адиабатического расширения газа

Рассмотрим причину изменения температуры газа в процессе адиабатического сжатия и расширения с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Допустим, что адиабатическое сжатие или расширение осуществляется перемещением поршня в цилиндре, в котором заключен газ. Если бы поршень оставался неподвижным, то молекулы газа отражались бы от него в среднем с такими же по величине скоростями, какими они обладали до отражения. Если поршень вдвигается в цилиндр, то при отражении от него средние скорости молекул увеличиваются - газ нагревается. Если поршень выдвигается из цилиндра, то средние скорости уменьшаются - газ охлаждается.

С термодинамической точки зрения понижение температуры газа объясняется работой, которую совершает газ при расширении.

В технике квазистатическое адиабатическое расширение газа с производством внешней работы используется для получения низких температур. При движение поршня осуществляют с помощью какого-либо двигателя, заставляя молекулы газа отражаться от движущегося поршня. Охлаждение газа в принципе может продолжаться до тех пор, пока газ не перейдет в жидкое состояние.

Следует заметить, что охлаждение в методе обратимого адиабатического расширения происходит не только в случае реальных газов, но и в случае идеальных. Это объясняется тем, что работа производится за счет убыли внутренней энергии газа, а последняя для идеальных газов является монотонно-возрастающей функцией одной только температуры.

Упражнения

1. Считая, что газ подчиняется уравнению Ван-дер-Ваальса с а=0, вычислить изменение температуры газа DТ для интегрального эффекта Джоуля-Томсона. Показать, что такой газ всегда нагревается.

2. Считая в уравнении Ван-дер-Ваальса объем V неявно заданной функцией температуры при Р=const, вычислить разность температур DТ.

3. Вычислить температуру инверсии эффекта Джоуля-Томсона для газа, подчиняющегося уравнению Дитеричи:

P(V-b) = RT exp(-a / RTV).

4. Решить задачу (3) для газа, подчиняющегося уравнению Бертло:

(P + a/TV²) (V-b) = RT.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой процесс называется процессом Джоуля-Томсона?

2. В чем состоит эффект Джоуля-Томсона?

3. Наблюдается или нет эффект Джоуля-Томсона для идеальных газов?

4. При какой температуре исчезает эффект Джоуля-Томсона? Чем определяется значение этой температуры?

5. В чем преимущества и недостатки метода Джоуля-Томсона для получения низких температур?

6. Какие методы кроме метода Джоуля-Томсона используют для получения низких температур?

ТЕСТ2

1. Эффект Джоуля-Томсона называют положительным, если температура газа:

а) понижается, б) не изменяется, в) повышается, г) понижается или повышается.

2) Процесс Джоуля-Томсона является:

а) изотермическим, б) адиабатным, в) изохорным, г) изобарным.

3) В случае процесса Джоуля-Томсона не меняется:

а) энтропия, б) энтальпия, в) внутрення энергия, г) давление.

4. При адиабатном расширении газа температура:

а) не меняется, б) повышается, в) уменьшается, г) может повышаться и уменьшаться.