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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脹,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

對於不同氣體,在不同壓力和溫度下,的值不同。可正可負。考慮氣體膨漲,此時壓力必下降,故

因為 因此必是 氣體
+ - - 冷卻
- - + 變暖

,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,

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]

焦耳第二定律[编辑]

很容易证实,对于由合适的微观假设定义的理想气体αT = 1,因此在焦耳-汤姆逊膨胀下这种理想气体的温度变化为零。对于这样一种理想的气体,这个理论结果意味着:

理想气体的固定质量的内部能量仅取决于其温度(而非压力或体积)。

这个规则最初是由焦耳实验发现的,它被称为焦耳第二定律。当然,更精确的实验发现了重要的偏差。 [1][2][3]

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 978-0-07-049479-4. 
  1. ^ Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1 Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London, pp. 614–615.
  2. ^ Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0, p. 116.
  3. ^ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 81.