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图1 多孔塞实验示意图
图2 焦耳-汤姆-汤姆孙效应的转换温度

Joule-Thomson effect

  指气体通过多孔塞膨胀后所引起的温度变化现象。1852年,英国物理学家J.P.焦耳和W.汤姆孙(即开尔文)为了进一步研究气体的内能,对焦耳气体自由膨胀实验作了改进。他们的实验装置类似如图1所示。C1、C2为两个可移动的绝热活塞。多孔塞一边维持一定的较高的压强p1,另一边维持在较低压强p2。缓慢地推动C1,气体从p1一边经多孔塞流向p2一边,同时亦缓慢地使C2向右移动,但保持p1,p2不变。这种过程叫节流过程。由于这过程是在绝热系统中进行,所作的净功应等于系统内能的改变。 于是在过程的前后有:U1+p1V1=U2+p2V2=恒量,即过程前后焓H相等。在这过程中,系统温度随压强改变的现象称为焦耳-汤姆孙效应,并把气体温度T随压强p的变化率定义为焦耳-汤姆孙系数

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温度的改变由图中的两个灵敏温度计测出。气体从较高压强向较低压强膨胀时变冷,即μ>0时的效应称致冷效应或正焦耳-汤姆孙效应;若μ<0则为致热效应或负焦耳-汤姆孙效应。μ=0的点称转变点,这时节流后温度无变化,称零焦耳-汤姆孙效应。理想气体所反映的始终是零焦耳-汤姆孙效应。对真实气体,若保持p1、T1不变,改变p2而得到一系列相应不同的T2,这样在T-p图上所得的曲线称等焓线。在不同的T1温度下重复这种测量可得一系列的等焓线,连接各条等焓线上的转变点所得到的轨迹称转换曲线(图2)。在转换曲线右边的区域是致热区,区内呈现出负焦耳-汤姆孙效应;左边是致冷区,区内呈现正焦耳-汤姆孙效应。所以,若节流过程发生在致冷区时,气体经节流后温度降低;发生在致热区时则温度升高。在致冷区内多次应用焦耳-汤姆孙效应,可使气体液化。在室温下若气体(如氢气)发生负焦耳-汤姆孙效应,则可先行预冷(例如对氢用液态空气预冷)使其温度降到致冷区,然后用上面方法使其液化。现在这种使气体液化的方法已被广泛采用。

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