В термодинамике , то эффект Джоуля-Томсона (также известный как эффект Джоуля-Кельвина или Кельвина-эффектом Джоуля ) описывает изменение температуры реального газа или жидкости (как дифференцированы от идеального газа ) , когда он пропускается через клапан или пористая подключите вилку , сохраняя ее изолированной, чтобы исключить теплообмен с окружающей средой. [1] [2] [3] Эта процедура называется процессом дросселирования или процессом Джоуля – Томсона . [4]При комнатной температуре все газы, кроме водорода , гелия и неона, охлаждаются при расширении по процессу Джоуля – Томсона при дросселировании через отверстие; эти три газа обладают одинаковым эффектом, но только при более низких температурах. [5] [6] Большинство жидкостей, таких как гидравлические масла, нагреваются в процессе дросселирования Джоуля – Томсона.
Процесс дросселирования при охлаждении газа обычно используется в таких процессах охлаждения , как кондиционеры , тепловые насосы и ожижители . [7] [8] В гидравлике эффект нагрева от дросселирования Джоуля-Томсона можно использовать для обнаружения внутренних утечек в клапанах, поскольку они будут выделять тепло, которое может быть обнаружено термопарой или тепловизионной камерой . Дросселирование - принципиально необратимый процесс . Дросселирование из-за сопротивления потоку в линиях подачи, теплообменниках, регенераторах и других компонентах (тепловых) машин является источником потерь, ограничивающих производительность.
История
Эффект назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля и Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина , которые открыли его в 1852 году. Он последовал за более ранней работой Джоуля по расширению Джоуля , в которой газ подвергается свободному расширению в вакууме, а температура остается неизменной, если газ идеальный .
Описание
Адиабатическое (тепло не обменены) расширение газа может быть осуществлено в нескольких формах. Изменение температуры газа во время расширения зависит не только от начального и конечного давления, но и от того, как происходит расширение.
- Если процесс расширения является обратимым , что означает, что газ все время находится в термодинамическом равновесии , это называется изэнтропическим расширением. В этом сценарии газ совершает положительную работу во время расширения, и его температура снижается.
- С другой стороны, при свободном расширении газ не работает и не поглощает тепло, поэтому внутренняя энергия сохраняется. Расширенный таким образом, температура идеального газа останется постоянной, но температура реального газа снизится, за исключением очень высокой температуры. [9]
- Обсуждаемый в этой статье метод расширения, при котором газ или жидкость под давлением P 1 течет в область более низкого давления P 2 без значительного изменения кинетической энергии, называется расширением Джоуля – Томсона. Расширение по своей сути необратимо. Во время этого расширения энтальпия остается неизменной (см. Доказательство ниже). В отличие от свободного расширения, работа выполняется, вызывая изменение внутренней энергии. Увеличение или уменьшение внутренней энергии определяется тем, выполняется ли работа с жидкостью или с помощью жидкости; что определяется начальным и конечным состояниями расширения и свойствами жидкости.
Изменение температуры, возникающее во время расширения Джоуля-Томсона, количественно выражается коэффициентом Джоуля-Томсона ,. Этот коэффициент может быть положительным (соответствует охлаждению) или отрицательным (нагрев); области, где каждая встречается для молекулярного азота, N 2 , показаны на рисунке. Обратите внимание, что большинство условий на рисунке соответствуют N 2, являющемуся сверхкритической жидкостью , где он имеет некоторые свойства газа и некоторые свойства жидкости, но не может быть действительно описан как таковой. Коэффициент отрицательный как при очень высоких, так и при очень низких температурах; при очень высоком давлении он отрицательный при всех температурах. Максимальная температура инверсии (621 К для N 2 [10] ) возникает при приближении к нулевому давлению. Для газа N 2 при низких давлениях,отрицательный при высоких температурах и положительный при низких. При температурах ниже кривой сосуществования газа и жидкости N 2 конденсируется с образованием жидкости, и коэффициент снова становится отрицательным. Таким образом, для газа N 2 ниже 621 К можно использовать расширение Джоуля – Томсона для охлаждения газа до образования жидкого N 2 .
Физический механизм
Есть два фактора, которые могут изменить температуру жидкости во время адиабатического расширения: изменение внутренней энергии или преобразование между потенциальной и кинетической внутренней энергией. Температура - это мера тепловой кинетической энергии (энергии, связанной с движением молекул); поэтому изменение температуры указывает на изменение тепловой кинетической энергии. Внутренняя энергия равна сумме тепловой кинетической энергии и тепловой потенциальной энергии. [11] Таким образом, даже если внутренняя энергия не изменяется, температура может измениться из-за преобразования кинетической энергии в потенциальную; это то, что происходит при свободном расширении и обычно вызывает снижение температуры по мере расширения жидкости. [12] [13] Если работа совершается с жидкостью или ею по мере ее расширения, то общая внутренняя энергия изменяется. Это то, что происходит при расширении Джоуля – Томсона и может вызвать больший нагрев или охлаждение, чем наблюдается при свободном расширении.
В разложении Джоуля – Томсона энтальпия остается постоянной. Энтальпия,, определяется как
где внутренняя энергия, это давление, и объем. В условиях разложения Джоуля – Томсона изменениепредставляет работу, выполняемую жидкостью (см. доказательство ниже). Если увеличивается, с постоянный, тогда должно уменьшаться в результате того, что жидкость воздействует на окружающую среду. Это приводит к снижению температуры и положительному коэффициенту Джоуля – Томсона. И наоборот, уменьшениеозначает, что над жидкостью выполняется работа, и внутренняя энергия увеличивается. Если увеличение кинетической энергии превышает увеличение потенциальной энергии, произойдет повышение температуры жидкости и коэффициент Джоуля – Томсона будет отрицательным.
Для идеального газа не меняется во время разложения Джоуля – Томсона. [14] В результате внутренняя энергия не изменяется; поскольку также не происходит изменения тепловой потенциальной энергии, не может быть изменения тепловой кинетической энергии и, следовательно, изменения температуры. В реальных газах действительно меняется.
Соотношение стоимости к ожидаемому для идеального газа при той же температуре, называется коэффициентом сжимаемости ,. Для газа это обычно меньше единицы при низкой температуре и больше единицы при высокой температуре (см. Обсуждение коэффициента сжимаемости ). При низком давлении значениевсегда движется к единству, когда газ расширяется. [15] Таким образом, при низкой температуре, а также будет увеличиваться по мере расширения газа, что приводит к положительному коэффициенту Джоуля – Томсона. При высокой температуре, а также уменьшаются по мере расширения газа; если уменьшение достаточно велико, коэффициент Джоуля – Томсона будет отрицательным.
Для жидкостей и сверхкритических жидкостей под высоким давлением увеличивается с увеличением давления. [15] Это происходит из-за того, что молекулы прижимаются друг к другу, так что объем едва может уменьшиться из-за более высокого давления. В таких условиях коэффициент Джоуля – Томсона отрицателен, как показано на рисунке выше .
Физический механизм , связанный с эффектом Джоуля-Томсона тесно связана с проблемой в ударной волне , [16] , хотя ударная волна отличается тем , что изменение объемной кинетической энергии потока газа не является пренебрежимо малым.
Коэффициент Джоуля – Томсона (Кельвина)
Скорость изменения температуры по отношению к давлению в процессе Джоуля – Томсона (т. е. при постоянной энтальпии ) - коэффициент Джоуля – Томсона (Кельвина) . Этот коэффициент можно выразить через объем газа., его теплоемкость при постоянном давлении , и его коэффициент теплового расширения как: [1] [3] [17]
См. Вывод коэффициента Джоуля – Томсона ниже для доказательства этого соотношения. Значениеобычно выражается в ° C / бар (единицы СИ: К / Па ) и зависит от типа газа, а также от температуры и давления газа перед расширением. Его зависимость от давления обычно составляет всего несколько процентов для давлений до 100 бар.
Все реальные газы имеют точку инверсии, в которой значениеменяет знак. Температура этой точки, температура инверсии Джоуля – Томсона , зависит от давления газа перед расширением.
При расширении газа давление уменьшается, поэтому знак отрицательно по определению. Имея это в виду, следующая таблица объясняет, когда эффект Джоуля-Томсона охлаждает или нагревает реальный газ:
Если температура газа | тогда является | поскольку является | таким образом должно быть | так что газ |
---|---|---|---|---|
ниже температуры инверсии | положительный | всегда отрицательный | отрицательный | охлаждает |
выше температуры инверсии | отрицательный | всегда отрицательный | положительный | согревает |
Гелий и водород - два газа, у которых температуры инверсии Джоуля – Томсона при давлении в одну атмосферу очень низки (например, около 45 К (-228 ° C) для гелия). Таким образом, гелий и водород нагреваются при расширении с постоянной энтальпией при типичных комнатных температурах. С другой стороны, азот и кислород , два наиболее распространенных газа в воздухе, имеют инверсионные температуры 621 K (348 ° C) и 764 K (491 ° C) соответственно: эти газы могут быть охлаждены от комнатной температуры с помощью джоулево-охлаждающей жидкости. Эффект Томсона. [1]
Для идеального газа всегда равен нулю: идеальные газы ни теплые, ни холодные при расширении при постоянной энтальпии.
Приложения
На практике эффект Джоуля-Томсона достигается за счет расширения газа через дросселирующее устройство (обычно клапан ), которое должно быть очень хорошо изолировано, чтобы предотвратить передачу тепла к газу или от него. Во время расширения из газа не извлекается никакая внешняя работа (например, газ не должен расширяться через турбину ).
Охлаждение, полученное при расширении Джоуля – Томсона, делает его ценным инструментом в холодильной технике . [18] [19] Эффект применяется в методике Linde как стандартный процесс в нефтехимической промышленности , где охлаждающий эффект используется для сжижения газов , а также во многих криогенных приложениях (например, для производства жидкого кислорода, азота, и аргон ). Для сжижения по циклу Линде температура газа должна быть ниже температуры инверсии. По этой причине ожижители с простым циклом Linde, начиная с температуры окружающей среды, нельзя использовать для сжижения гелия, водорода или неона . Однако эффект Джоуля-Томсона можно использовать для сжижения даже гелия при условии, что газообразный гелий сначала охладится ниже его температуры инверсии 40 К. [10]
Доказательство того, что удельная энтальпия остается постоянной
В термодинамике так называемые «специфические» количества - это количества на единицу массы (кг), которые обозначаются строчными буквами. Таким образом, h , u и v - это удельная энтальпия , удельная внутренняя энергия и удельный объем (объем на единицу массы или обратная плотность) соответственно. В процессе Джоуля – Томсона удельная энтальпия h остается постоянной. [20] Чтобы доказать это, первым делом необходимо вычислить чистую работу, совершаемую при прохождении массы m газа через пробку. Это количество газа имеет объем V 1 = m v 1 в области давления P 1 (область 1) и объем V 2 = m v 2 в области давления P 2 (область 2). Тогда в области 1, «работа потока» сделано на количество газа от остальной части газа: W 1 = т Р 1 v 1 . В области 2, работа осуществляется с помощью количества газа , на остальной части газа: W 2 = т Р 2 v 2 . Итак, общая работа, совершенная над массой m газа, равна
Изменение внутренней энергии за вычетом общей работы, проделанной над количеством газа, согласно первому закону термодинамики , составляет общее количество тепла, подводимого к количеству газа.
В процессе Джоуля – Томсона газ изолирован, поэтому тепло не поглощается. Это значит, что
где u 1 и u 2 обозначают удельные внутренние энергии газа в областях 1 и 2 соответственно. Используя определение удельной энтальпии h = u + Pv , из приведенного выше уравнения следует, что
где h 1 и h 2 обозначают удельные энтальпии количества газа в областях 1 и 2 соответственно.
Дросселирование на диаграмме T - s
Очень удобный способ получить количественное представление о процессе дросселирования - использовать диаграммы, такие как диаграммы h - T, диаграммы h - P и другие. Обычно используются так называемые диаграммы T - s . На рис. 2 в качестве примера показана диаграмма T - s азота. [21] Различные точки обозначены следующим образом:
- а) T = 300 K, p = 200 бар, s = 5,16 кДж / (кг · K), h = 430 кДж / кг;
- б) T = 270 K, p = 1 бар, s = 6,79 кДж / (кг · K), h = 430 кДж / кг;
- в) T = 133 K, p = 200 бар, s = 3,75 кДж / (кг · K), h = 150 кДж / кг;
- г) T = 77,2 K, p = 1 бар, s = 4,40 кДж / (кг · K), h = 150 кДж / кг;
- д) T = 77,2 K, p = 1 бар, s = 2,83 кДж / (кг · K), h = 28 кДж / кг (насыщенная жидкость при 1 бар);
- f) T = 77,2 K, p = 1 бар, s = 5,41 кДж / (кг · K), h = 230 кДж / кг (насыщенный газ при 1 бар).
Как было показано ранее, дросселирование поддерживает постоянное значение h . Например, дросселирование от 200 бар и 300 K (точка a на рис. 2) следует изэнтальпии (линия постоянной удельной энтальпии) 430 кДж / кг. При давлении 1 бар получается точка b, имеющая температуру 270 К. Таким образом, дросселирование с 200 бар до 1 бар дает охлаждение от комнатной температуры до температуры ниже точки замерзания воды. Дросселирование от 200 бар и начальной температуры 133 К (точка c на рис. 2) до 1 бара приводит к точке d, которая находится в двухфазной области азота при температуре 77,2 К. Поскольку энтальпия является значительным Параметр энтальпия в d ( h d ) равна энтальпии в e ( h e ), умноженной на массовую долю жидкости в d ( x d ) плюс энтальпию в f ( h f ), умноженную на массовую долю жидкости газ в d (1 - x d ). Так
С числами: 150 = x d 28 + (1 - x d ) 230, поэтому x d составляет около 0,40. Это означает, что массовая доля жидкости в газожидкостной смеси, выходящей из дроссельной заслонки, составляет 40%.
Вывод коэффициента Джоуля – Томсона.
Сложно физически представить, что такое коэффициент Джоуля – Томсона, , представляет. Также современные определенияне используйте исходный метод, используемый Джоулем и Томсоном, а вместо этого измерьте другую, тесно связанную величину. [22] Таким образом, полезно вывести отношения между и другие, более удобные для измерения величины, как описано ниже.
Первый шаг в получении этих результатов, следует отметить , что коэффициент Джоуля-Томсона включает в себя три переменных Т , Р и Н . Полезный результат сразу получается при применении правила цикличности ; в терминах этих трех переменных это правило можно записать
Каждая из трех частных производных в этом выражении имеет определенное значение. Первый - это, вторая - теплоемкость при постоянном давлении ,, определяется
а третий - величина, обратная изотермическому коэффициенту Джоуля – Томсона ,, определяется
- .
Последнюю величину измерить легче, чем . [23] [24] Таким образом, выражение из циклического правила становится
Это уравнение можно использовать для получения коэффициентов Джоуля – Томсона из более легко измеряемого изотермического коэффициента Джоуля – Томсона. Далее он используется для получения математического выражения для коэффициента Джоуля – Томсона с точки зрения объемных свойств жидкости.
Чтобы продолжить, отправной точкой является фундаментальное уравнение термодинамики в терминах энтальпии; это
Теперь "деление" на d P при постоянной температуре дает
Частная производная слева - изотермический коэффициент Джоуля – Томсона, , а то, что справа, можно выразить через коэффициент теплового расширения через соотношение Максвелла . Соответствующее соотношение:
где α - кубический коэффициент теплового расширения . Замена этих двух частных производных дает
Это выражение теперь можно заменить в предыдущем уравнении для чтобы получить:
Это дает выражение для коэффициента Джоуля – Томсона в терминах общеизвестных свойств: теплоемкости, молярного объема и коэффициента теплового расширения. Он показывает, что температура инверсии Джоуля – Томсона, при которойравен нулю, возникает, когда коэффициент теплового расширения равен обратной величине температуры. Поскольку это верно при всех температурах для идеальных газов (см. Расширение в газах ), коэффициент Джоуля-Томсона идеального газа равен нулю при всех температурах. [25]
Второй закон Джоуля
Легко проверить, что для идеального газа, определенного подходящими микроскопическими постулатами, αT = 1, поэтому изменение температуры такого идеального газа при расширении Джоуля – Томсона равно нулю. Для такого идеального газа этот теоретический результат означает, что:
- Внутренняя энергия фиксированной массы идеального газа зависит только от его температуры (а не от давления или объема).
Это правило было первоначально найдено Джоулем экспериментально для реальных газов и известно как второй закон Джоуля . Более изощренные эксперименты, конечно, обнаружили важные отклонения от него. [26] [27] [28]
Смотрите также
- Критическая точка (термодинамика)
- Энтальпия и изентальпический процесс
- Идеальный газ
- Сжижение газов
- MIRI (Mid-Infrared Instrument) , петля J – T используется на одном из инструментов космического телескопа Джеймса Уэбба.
- Холодильное оборудование
- Обратимый процесс (термодинамика)
Рекомендации
- ^ a b c Р. Х. Перри и Д. В. Грин (1984). Справочник инженеров-химиков Перри . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049479-4.
- ^ Б.Н. Рой (2002). Основы классической и статистической термодинамики . Джон Вили и сыновья. Bibcode : 2002fcst.book ..... N . ISBN 978-0-470-84313-0.
- ^ а б У. К. Эдмистер, Б. И. Ли (1984). Прикладная термодинамика углеводородов . Vol. 1 (2-е изд.). Издательство "Галф". ISBN 978-0-87201-855-6.
|volume=
есть дополнительный текст ( справка ) - ^ Ф. Рейф (1965). «Глава 5 - Простые приложения макроскопической термодинамики» . Основы статистической и теплофизики . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-051800-1.
- ^ А. В. Адамсон (1973). «Глава 4 - Химическая термодинамика. Первый закон термодинамики». Учебник физической химии (1-е изд.). Академическая пресса. LCCN 72088328 .
- ^ GW Castellan (1971). «Глава 7 - Энергия и первый закон термодинамики; термохимия» . Физическая химия (2-е изд.). Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-00912-5.
- ^ Моран, MJ; Шапиро, HN (2006). Основы инженерной термодинамики (5-е изд.). Джон Вили и сыновья.
- ^ Де Вале, АТАМ (2017). «Основы сжижения Джоуля – Томсона и JT-охлаждения» . Журнал физики низких температур . 186 (5–6): 385–403. Bibcode : 2017JLTP..186..385D . DOI : 10.1007 / s10909-016-1733-3 .
- ^ Гуссар, Жак-Оливье; Руле, Бернар (1993). «Свободное расширение для реальных газов». Американский журнал физики . 61 (9): 845–848. Bibcode : 1993AmJPh..61..845G . DOI : 10.1119 / 1.17417 .
- ^ а б Аткинс, Питер (1997). Физическая химия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Co., стр. 930 . ISBN 978-0-7167-2871-9.
- ^ Рок, Пенсильвания (1983). Химическая термодинамика . Милл-Вэлли, Калифорния: Университетские научные книги. сек. 3-2. ISBN 978-0-935702-12-5.
- ^ Пиппард, AB (1957). «Элементы классической термодинамики», с. 73. Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания.
- ^ Табор, Д. (1991). Газы, жидкости и твердые вещества , стр. 148. Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания. ISBN 0 521 40667 6 .
- Перейти ↑ Klotz, IM and RM Rosenberg (1991). Химическая термодинамика , стр. 83. Бенджамин, Мено-Парк, Калифорния.
- ^ a b Аткинс, Питер (1997). Физическая химия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Co., стр. 31–32. ISBN 0-7167-2871-0 .
- ^ Гувер, Вм. ГРАММ.; Гувер, Кэрол Дж .; Трэвис, Карл П. (2014). «Ударно-волновое сжатие и расширение Джоуля – Томсона». Письма с физическим обзором . 112 (14): 144504. arXiv : 1311.1717 . Bibcode : 2014PhRvL.112n4504H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.144504 . PMID 24765974 . S2CID 33580985 .
- ^ WR Salzman. «Джоулевое расширение» . Химический факультет Аризонского университета . Архивировано из оригинального 13 июня 2012 года . Проверено 23 июлю +2005 .
- ^ Де Вале, АТАМ (2017). «Основы сжижения Джоуля – Томсона и JT-охлаждения» . Журнал физики низких температур . 186 (5–6): 385–403. Bibcode : 2017JLTP..186..385D . DOI : 10.1007 / s10909-016-1733-3 .
- Перейти ↑ Keenan, JH (1970). Термодинамика , Глава 15. MIT Press, Кембридж, Массачусетс.
- ^ См., Например, MJ Moran и HN Shapiro «Основы инженерной термодинамики», 5-е издание (2006) John Wiley & Sons, Inc., стр. 147
- ^ Рисунок, составленный на основе данных, полученных с помощью RefProp, стандартной справочной базы данных NIST 23
- ^ Аткинс, Питер (1997). Физическая химия (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Co., стр. 89–90 . ISBN 978-0-7167-2871-9.
- ^ Киз, Ф.Г.; Коллинз, SC (1932). «Изменение давления тепловой функции как прямая мера сил Ван-дер-Ваальса» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 18 (4): 328–333. Bibcode : 1932PNAS ... 18..328K . DOI : 10.1073 / pnas.18.4.328 . PMC 1076221 . PMID 16587688 .
- ^ Cusco, L .; McBain, SE; Сэвилл, Г. (1995). «Проточный калориметр для измерения изотермического коэффициента Джоуля – Томсона газов при повышенных температурах и давлениях. Результаты для азота при температурах до 473 К и давлениях до 10 МПа и для диоксида углерода при температурах до 500 К и давлениях выше. до 5 МПа ». Журнал химической термодинамики . 27 (7): 721–733. DOI : 10,1006 / jcht.1995.0073 .
- ^ Каллен, HB (1960). Термодинамика . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. С. 112–114 .
- ^ Партингтон, JR (1949). Расширенный трактат по физической химии , том 1 « Фундаментальные принципы». Свойства газов , Longmans, Green and Co. , Лондон, стр. 614–615.
- ^ Adkins, CJ (1968/1983). Равновесная термодинамика , (1-е издание, 1968 г.), третье издание, 1983 г., Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0 , стр. 116.
- ^ Бэйлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики Press, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3 , стр. 81.
Библиография
- М.В. Земанский (1968). Тепло и термодинамика; Учебник для среднего уровня . Макгроу-Хилл. pp. 182 , 355. LCCN 67026891 .
- Д.В. Шредер (2000). Введение в теплофизику . Эддисон Уэсли Лонгман. п. 142 . ISBN 978-0-201-38027-9.
- К. Киттель, Х. Кремер (1980). Теплофизика . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2.
Внешние ссылки
- Вайсштейн, Эрик Вольфганг (ред.). «Процесс Джоуля-Томсона» . ScienceWorld .
- Вайсштейн, Эрик Вольфганг (ред.). «Коэффициент Джоуля-Томсона» . ScienceWorld .
- «Кривая инверсии эффекта Джоуля-Томсона с использованием Peng-Robinson CEOS» . Демонстрационные проекты Wolfram Mathematica .
- Модуль эффекта Джоуля – Томсона , Университет Нотр-Дам