Эффект Джоуля-Томсона, открытый в 1852 году, показал, что газ может охлаждаться или нагреваться в зависимости от условий его расширения. Это явление широко используется на практике для получения низких температур и сжижения различных газов. Давайте разберемся, в чем заключается данный эффект и как он применяется.
Суть эффекта Джоуля-Томсона
Эффект Джоуля-Томсона заключается в изменении температуры газа при его медленном адиабатическом дросселировании через пористую перегородку или дроссель при постоянном перепаде давления.
Адиабатический процесс означает, что теплообмен газа с окружающей средой отсутствует.
При прохождении газа через дроссель его объем увеличивается, давление понижается, и в результате может либо повыситься, либо понизиться температура.
Уравнение для дифференциального эффекта Джоуля-Томсона
Дифференциальный эффект Джоуля-Томсона реализуется при малых перепадах давления на дросселе. Он описывается уравнением:
(ΔT/ΔP)_H = (T(∂V/∂T)_P − V)/C_P
где:
- ΔT/ΔP - изменение температуры на единицу перепада давления
- T - абсолютная температура газа
- (∂V/∂T)_P - температурный коэффициент объема при постоянном давлении
- V - удельный объем газа
- CP - изобарная теплоемкость газа
Для идеального газа данный эффект равен нулю, так как молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом.
Факторы, влияющие на эффект Джоуля-Томсона
На величину и знак эффекта Джоуля-Томсона влияют следующие факторы:
- Свойства газа - размер молекул, наличие межмолекулярного взаимодействия
- Температура газа
- Давление газа
- Величина перепада давления при дросселировании ΔP
- Внешняя работа, совершаемая при расширении газа
При определенной температуре инверсии знак эффекта Джоуля-Томсона меняется с положительного на отрицательный и наоборот. Если текущая температура газа ниже температуры инверсии - газ будет охлаждаться, если выше - нагреваться.
| Газ | Температура инверсии, К |
| CO2 | 1500 |
| Ar | 723 |
Таким образом, на эффект Джоуля-Томсона влияет множество факторов, что позволяет гибко управлять температурными изменениями газа в практических приложениях. Рассмотрим их подробнее.
Роль межмолекулярного взаимодействия
Как уже отмечалось, для идеального газа эффект Джоуля-Томсона отсутствует, поскольку его молекулы не взаимодействуют друг с другом. Однако в реальных газах присутствует межмолекулярное взаимодействие за счет сил притяжения между молекулами.
При адиабатическом расширении такого газа расстояния между молекулами увеличиваются, вследствие чего возрастает их потенциальная энергия взаимодействия. Это приводит к уменьшению кинетической энергии молекул и снижению температуры газа.
Так проявляется положительный эффект Джоуля-Томсона.
Работа внешних сил и внутренняя энергия газа
При анализе эффекта Джоуля-Томсона необходимо учитывать работу внешних сил над расширяющимся газом. До дросселя над порцией газа объемом V1 работу A1 = P1V1 совершает внешнее давление p1.
После дросселя эта же порция газа объемом V2 совершает работу A2 = P2V2. Разность этих работ:
ΔA = A1 - A2 = P1V1 - P2V2
идет на изменение внутренней энергии газа: ΔU = U2 - U1.
Так внешняя работа влияет на температурные эффекты при дросселировании реального газа.
Интегральный эффект Джоуля-Томсона
При большой разнице давлений до и после дросселя газ может значительно менять свою температуру. Этот интегральный эффект Джоуля-Томсона используется в промышленных процессах охлаждения и сжижения газов.
Например, при дросселировании воздуха от 200 до 1 атм и начальной температуре 17°C его температура понижается на 35°C.
Применение в сжижении природного газа
Эффект Джоуля-Томсона широко используется в процессах сжижения природного газа для охлаждения потоков углеводородного сырья. Применяются специальные дросселирующие устройства - регулирующие клапаны Джоуля-Томсона.
Они обеспечивают значительное понижение давления газа с одновременным охлаждением за счет эффекта Джоуля–Томсона в криогенных теплообменниках.
Формула для дифференциального эффекта
Рассмотрим подробнее формулу для вычисления дифференциального эффекта Джоуля-Томсона:
(ΔT/ΔP)_H = (T(∂V/∂T)_P − V)/C_P
Здесь (ΔT/ΔP)_H – изменение температуры газа на единицу изменения давления при постоянной энтальпии H. Это обусловлено адиабатичностью процесса дросселирования.
В числителе стоит разность двух величин: T(∂V/∂T)_P - температурный коэффициент объема, характеризующий изменение объема газа с температурой, и V – текущий объем газа.
Их разность показывает, как изменится внутренняя энергия газа при небольшом изменении температуры.
В знаменателе стоит изобарная теплоемкость Ср, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать газу для нагревания на 1 градус.
Таким образом, формула позволяет рассчитать изменение температуры газа при заданном небольшом изменении давления с учетом термодинамических свойств газа.
Принцип действия дроссельных устройств
Для реализации эффекта Джоуля-Томсона на практике используются специальные дроссельные устройства – пористые перегородки, капилляры, вентили. Они создают локальное сужение проходного сечения на пути потока газа.
В результате газ вынужден ускорять свое движение в зоне сужения, и после прохождения дросселя резко снижать скорость, что приводит к падению давления и изменению температуры.
Такие устройства должны обеспечивать медленное ламинарное движение газа и минимизировать трение внутри дросселя, чтобы процесс был близок к адиабатическому.
Сравнение эффекта Джоуля-Томсона с другими методами охлаждения
По сравнению с компрессионными холодильными установками, использующими поршневые или винтовые компрессоры, эффект Джоуля-Томсона обладает рядом преимуществ.
