焦耳-湯姆孫效應

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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·焦耳開爾文男爵命名。

描述[编辑]

各種氣體定律說明了溫度壓力體積。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,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[编辑]

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} 因為dP 因此dT必是 氣體
+ - - 冷卻
- - + 變暖

\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。


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[编辑]

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[编辑]

參考[编辑]

  • 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.