焦耳-湯姆孫效應

焦耳-湯姆孫效應是指氣體會因在等焓的環境下自由膨脹，而使溫度上升或下降。這個過程稱為焦耳-湯姆孫過程

這以詹姆斯·焦耳和開爾文男爵命名。

描述

各種氣體定律說明了溫度、壓力和體積。當體積不可逆回地上升，這些定律不能清楚說明壓力和溫度的改變。而在可逆絕熱過程中，氣體膨漲做了正功，因此溫度下降。

可是，真實氣體（相對理想氣體而言）在等焓環境下自由膨漲，溫度會上升或下降（是哪方看初始溫度而定）。對於給定壓力，真實氣體有一個焦耳-湯姆孫反轉溫度，高於溫度時氣體溫度會上升，低於時氣體溫度下降，剛好在這溫度時氣體溫度不變。許多氣體的在1大氣壓力下的反轉溫度高於室溫。

焦耳-湯姆孫系數

在焦耳-湯姆孫過程，溫度隨壓力的改變稱為焦耳-湯姆孫系數：

$\mu_{JT} = \left( {\partial T \over \partial P} \right)_H$

對於不同氣體，在不同壓力和溫度下，$\mu_{JT}$的值不同。$\mu_{JT}$可正可負。考慮氣體膨漲，此時壓力下降，故$dP < 0$。

$\mu_{JT}$是	因為$dP$是	因此$dT$必是	氣體
+	-	-	冷卻
-	-	+	變暖

若$\mu_{JT}=0$，則溫度不隨壓力也不隨體積而變，此時氣體位於反轉點，而此溫度稱之反轉溫度。

氦和氫在1個大氣壓力下，反轉溫度相當低（例如氦便是−222 °C）。因此，這兩種氣體在室溫膨漲時溫度上升。

對於理想氣體，$\mu_{JT}=0$。

原理

溫度下降：當氣體膨漲，分子之間的平均距離上升。因為分子間吸引力，氣體的位能上升。因為這是等焓過程，系統的總能量守恆，所以位能上升必然會令動能下降，故此溫度下降。

溫度上升：當分子碰撞，動能暫時轉成位能。由於分子之間的平均距離上升，每段時間的平均碰撞次數下降，位能下降，因此動能上升，溫度上升。

低於反轉溫度時，前者的影響較為明顯，高於反轉溫度時，後者影響較明顯。

應用

• 卡爾·馮·林德以此製冷。

參考

• Zemansky, M.W. Heat and Thermodynamics. McGraw-Hill. 1968. , p.182, 335
• Schroeder, Daniel V. Thermal Physics. Addison Wesley Longman. 2000. , p.142
• Kittel, C., and Kroemer, H. Thermal Physics. W.H. Freeman and Co. 1980. 
• Perry, R.H. and Green, D.W. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill Book Co. 1984. ISBN 0-07-049479-7.