Joule-Thomson效应
什么是焦耳汤姆森效应？
几年来，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）和威廉·汤姆森（William Thomson）都是英国物理学家 - 从事合作，进行了旨在分析和推进热力学的实验。1852年，研究人员做出了一个特别值得注意的发现。他们发现，由于阀门突然的压力变化，气体可能会发生温度变化。被称为焦耳汤姆森效应（或有时汤姆森 - 乔勒效应），事实证明，这种现象在制冷系统以及液化器，空调和热泵方面非常重要。当您从自行车轮胎中释放出空气时，导致轮胎阀变冷的效果也是如此。
当流动气体通过压力调节器时，与焦耳thomson效应有关的温度变化可能会发生，该压力调节器充当节流装置，阀门或多孔塞。在这里，温度变化不一定是可取的。为了平衡任何相关温度变化的焦耳 - 汤姆森，可以使用加热或冷却元件。
用于描述焦耳thomson效应的符号的定义
在数学上分析Joule-Thomson效应之前，您需要熟悉用于描述效果的命名法。下表提供了相关命名法的概述：
| 象征 | 数量 | SI单元 |
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具体的焓 |  |
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热容量 |  |
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温度 |  |
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压力 |  |
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特定的熵 | |
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比容 |  |
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密度 |  |
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Joule-Thomson系数 |  |
了解Joule-Thomson效应
考虑下面的图像，描述了通过具有热绝缘壁的多孔可渗透插头扩展到较低压力状态的气流。
通过多孔插头进行节流的示意图。
通过多孔插头进行节流的示意图。
这是个绝热节流过程。没有与环境交换的热量或机械工作。基本的热力学定义可用于为流入和外流的流动过程建立能量平衡，其中1代表入口，2代表出口：
在哪里是焓和
是速度（m/s）。在这里，忽略了任何磁性，电和核能的贡献。对于中等速度的气流，与任何焓变相比，可以忽略动能的变化是安全的：
因此，很明显该过程以恒定的焓发生 - 换句话说，是地骨。大多数工程师从教科书中记住，可以根据材料财产热容量计算焓变的变化，
， 作为
在这一点上，从上方的等式中，可能会得出这样的结论：
是0，然后
也必须是0，假设从来没有0。这样的结论与汤姆森和焦耳的实验发现相矛盾。两位物理学家发现，在节流吸引力下，一些气体实际上会改变温度。但是如何解释呢？答案在于一些热力学推理和理想的相对真实的气体。不幸的是，等式。（（3）并非完全正确；这是理想气体（和液体）的特殊情况。
看一个更普遍的情况，是热力学状态功能。根据所谓的吉布斯的阶段规则，该函数必须具有两个在一个阶段具有固定成分的物质的自由度。这意味着可以准确确定气体的状态，前提是已知其他两个状态函数的值。确定焓可以通过确定其他两个任意状态函数来完成。选项包括：温度（）， 压力 （），熵（），特定卷（），或内部能量（
） 和更多。唯一的要求是二他们的决心是确定的。
这是一个使用温度和压力的示例：
一个很小的变化，
，根据链条规则将在焓中：
指示
代表一个部分衍生物关于， 在哪里是选择的第二个自由程度，并保持不变。可以将其集成并替换为：
右侧的第一项是理想气体的焓变，第二项是由于气体的非理想性而造成的额外贡献。这可以解释为要克服分子间力必须做出的工作。根据定义，理想的气体没有分子间力。对于静脉内的过程，等式。（（4）还有助于解释任何轻微的温度变化，因为它能够提供克服分子间力所需的精确量。
重新审视了汤姆森和焦耳的实验，两人发现将其在恒定焓变温变化的观察结果与可测量的事物相关联是实际的：对于小小的压力变化，温度变化了多少，保持了固定的焓？他们称之为Joule-Thomson系数，，，，：
, as well as possibly 
and 
. Depending on the start pressure and temperature and the final pressure, the temperature can either increase or decrease for a specific gas. The limiting line where a temperature increase changes to a decrease is called the inversion line.
">
图表显示温度压力图中的节流路径。Isenthalps由H =常数表示。节流过程的路径是从一个点开始的
，并沿着一个伊森塔尔普移动，穿过，也可能和。根据起始压力和温度以及最终压力，特定气体的温度可以升高或降低。温度升高变化降低的限制线称为反转线。
图表显示温度压力图中的节流路径。Isenthalps由H =常数表示。节流过程的路径是从一个点开始的，并沿着一个伊森塔尔普移动，穿过，也可能和。根据起始压力和温度以及最终压力，特定气体的温度可以升高或降低。温度升高变化降低的限制线称为反转线。
汤姆森（Thomson）和焦耳（Joule）进行了广泛的工作来衡量和收集普通气体的数据。制作等式。（（4）在实践中有用，它需要与可测量的数量有关。来自数学的环状定理指出
重新排列时，方程将变为：
由于可以测量集成数量，因此该公式可以通过计算机程序或手动评估。
另一个有用的观察结果是，热容量的压力依赖性关系，，可以从测量的数据。审查等式。（（6）， 这
可以剖析左边的术语。将热力学的第一定律与焓的定义相结合，
，提供能量差异：
采用衍生物，恒定，双方都给予
著名的吉布斯自由能差异，
，与所谓的麦克斯韦关系（精确性测试），导致
当我们可以访问非理想的状态方程时，
，可以使用计算工具评估此表达式。
焦耳汤姆森效应和建议的摘要
正常温度下的大多数气体在节流时略有冷却，除了氢和氦气。发生内部冷却是因为热量转化为施加的工作以克服分子间力。理想的气体关系无视任何分子间力，因此错过了焦耳汤姆森效应。因此，仅依靠理想的天然气定律假设使用计算工具进行流动计算时可能是有风险的。
许多工程教科书和手册都包括有关焦耳thomson效果的部分以及列表
普通气体的数据。该信息可以应用于等式的公式。（（7），并在计算机仿真程序中以及手工计算中使用。有关更准确的计算，您需要捕获可能的压力依赖性
，另一种途径是使用非理想的状态方程，，并评估，如等式。（（11）。
最后修改：2018年3月1日
参考
- 小肯尼斯·沃克（Kenneth Wark），工程师的高级热力学（McGraw-Hill，Inc.，1995）