Ефект Джоуля-Томсона

Ефект Джоуля-Томсона.
Термодинамічна теорія ефекту Джоуля-Томсона.
Ефект Джоуля-Томсона для газу Ван-дер-Ваальса.
Зрідження газів. Наднизьки температури.

Література: [1] стор. 253-261, [2] стор. 370-383, [7] стор.69-73,143-146, 401-413

В чому суть і які причини ефекту Джоуля-Томсона?
Охарактеризуйте критичну температуру.
Назвіть методи зрідження газів.

Доведіть з допомогою якісних міркувань, що існують області тисків для даного газу, при яких інтегральний ефект Джоуля-Томсона може бути тільки або додатнім, або від’ємним, і існує область тисків, при яких ефект може бути як додатнім, так і від’ємним в залежності від кінченого тиску.

1. Ефект Джоуля-Томсона

Досліди Гей-Люсака та Джоуля (див. Лекція 7), які дали можливість визначити залежність внутрішньої енергії ідеального газу від температури та об’єму, мали невисоку точність, оскільки теплоємність повітря була малою в порівняні із теплоємністю балонів і води в калориметрі. Через це малі зміни температури складно виявити. На протязі 1852-1862 рр. Джоуль і Томсон виконали ряд дослідів, які, з одного боку, дозволили остаточно встановити залежність внутрішньої газу від об’єму; з іншого, з їх допомогою було відкрито нове явище, яке отримало назву ефекту Джоуля-Томсона.

В дослідах Джоуля-Томсона бралась циліндрична трубка, покрита теплоізолюючим матеріалом. В середині трубки між двома металевими сітками і розміщувалось пробка із плотної вати або шовкові очоси. Досліджуваний газ під дією різниці тисків повільно протікав крізь пробку. Через наявність пробки протікання газу було спокійним, тобто без турбулентних рухів. Крім того, пробка забезпечувала повільність протікання, так що кінетичною енергією руху центру мас газу можна було знехтувати. За цих умов в кожний момент часу газ по обидві сторони пробки знаходився в стані термодинамічної рівноваги. Наявність теплоізолюючої оболонки забезпечувало адіабатність процесу протікання газу. Тиски газу та підтримувались постійними. Пробка і газ під час процесу обмінювались між собою теплом. Але коли процес ставав стаціонарним, теплообмін закінчувався, а отже її внутрішня енергія залишалась незміною При стаціонарному протіканні з одного боку від пробки встановлювалось незміною. При стаціонарному протіканні з одного боку від пробки встановлювалось постійна температура газу , а по інший – постійна температура . Ці температури і вимірювались в досліді.

Стаціонарне протікання газу крізь пробку називається процесам Джоуля-Томсона, а зміна температури газу при такому протіканні – єфектом Джоуля-Томсона.

Відділимо подумки зліва від пробки об’єм , що займає простір . Після проходження крізь пробку виділена порція газу займе простір з об’ємом . Границя переходить в . При цьому над газом виконується робота (S – площа поперечного перетину трубки). Границя переходить в положення , і газ виконує роботу . Повна робота, виконана газом, дорівнює . Тепло до системи не надходить. Фізичний стан пробки і її внутрішня енергія залишились незмінними. Перший закон термодинаміки можна записати