Кіріспе
Термодинамикада Джоуль-Томсон эффектісі (Джоуль-Келвин эффектісі немесе Кельвин-Джоуль эффектісі деп те аталады) – нақты газ немесе сұйықтың (идеалдық газбен салыстырғанда) температурасының өзгеруін сипаттайды. Бұл өзгеріс газды клапан немесе саңылаулы тығын арқылы өткізу кезінде, сыртқы ортамен жылу алмасуын болдырмай, жүзеге асады. Бұл процедура дроссельдеу процесі немесе Джоуль-Томсон процесі деп аталады. Бөлме температурасында сутегі, гелий және неоннан басқа барлық газдар Джоуль-Томсон процесі арқылы кеңейгенде суынады; ал осы үш газ төмен температурада ғана осы әсерді көрсетеді. Гидравликалық майлар сияқты көптеген сұйықтықтар Джоуль-Томсон дроссельдеу процесінде жылынады. Газды салқындатуды қолданатын дроссельдеу процесі, әсіресе ауа ажырату өнеркәсіптік процесіндегі сұйытылғыштарда кеңінен қолданылады. Гидравликада Джоуль-Томсонның жылыту әсерін пайдаланып, ішкі ақаулары бар клапандарды табуға болады, себебі олар термопара немесе жылулық бейнелеу камерасымен анықтауға болатын жылу шығарады. Дроссельдеу – бұл қайтымсыз процесс. Құбырлардағы, жылу алмастырғыштардағы, регенераторлардағы және (термиялық) машиналардың басқа да компоненттеріндегі ағын кедергісінен туындайтын дроссельдеу олардың тиімділігін шектейтін шығындардың көзі болып табылады. Бұл тұрақты энтальпия процесі болғандықтан, газдың диаграммасындағы тұрақты энтальпия сызықтарын (изоэнтальпалар) эксперименттік жолмен өлшеуге қолдануға болады. Тұрақты қысымдағы нақты жылу сыйымдылығымен біріктірілгенде, газдың термодинамикалық потенциалын толық өлшеуге мүмкіндік береді. Осы мақалада талқыланатын кеңею әдісі, онда P1 қысымындағы газ немесе сұйықтық кинетикалық энергияның айтарлықтай өзгеруісіз P2 төмен қысым аймағына ағып түседі, Джоуль-Томсон кеңеюі деп аталады. Бұл кеңею өзінен қайтымсыз. Бұл кеңею кезінде энтальпия өзгермейді (төмендегі дәлелдемеге қараңыз). Бос кеңеюден айырмашылығы, жұмыс атқарылады, бұл ішкі энергияның өзгеруіне әкеледі. Ішкі энергияның артуы немесе азаюы сұйықтыққа жұмыс жасалған-жасалмағандығына байланысты анықталады, ал бұл кеңеюдің бастапқы және соңғы күйлерімен және сұйықтықтың қасиеттерімен анықталады. Джоуль-Томсон кеңеюі кезінде туындайтын температураның өзгеруі Джоуль-Томсон коэффициентімен сипатталады. Бұл коэффициент оң (салқындатуға сәйкес) немесе теріс (жылу беруге сәйкес) болуы мүмкін; молекулалық азот N2 үшін олардың әрқайсысы болатын аймақтар суретте көрсетілген. Суреттегі көптеген жағдайлар N2-нің суперкритикалық сұйықтық күйінде болуына сәйкес келеді, онда ол газдың және сұйықтықтың кейбір қасиеттерін біріктіреді, бірақ оны нақты газ немесе сұйықтық деп сипаттау қиын. Коэффициент өте жоғары және өте төмен температурада теріс болады; өте жоғары қысымда ол барлық температурада теріс болады. Ең жоғары инверсия температурасы (N2 үшін 621 K) қысым нөлге жақындағанда пайда болады. Төмен қысымдағы N2 газы үшін коэффициент жоғары температурада теріс, ал төмен температурада оң болады. Газ-сұйықтық тепе-теңдік қисығының астындағы температурада N2 сұйықтыққа конденсацияланып, коэффициент қайтадан теріс болады. Осылайша, 621 K-тен төмен температурадағы N2 газы үшін Джоуль-Томсон кеңеюін газды салқындату үшін пайдалануға болады, нәтижесінде сұйық N2 пайда болады.
In thermodynamics, the Joule–Thomson effect (also known as the Joule–Kelvin effect or Kelvin–Joule effect) describes the temperature change of a real gas or liquid (as differentiated from an ideal gas) when it is forced through a valve or porous plug while keeping it insulated so that no heat is exchanged with the environment. This procedure is called a throttling process or Joule–Thomson process. At room temperature, all gases except hydrogen, helium, and neon cool upon expansion by the Joule–Thomson process when being throttled through an orifice; these three gases experience the same effect but only at lower temperatures. Most liquids such as hydraulic oils will be warmed by the Joule–Thomson throttling process. The gas cooling throttling process is commonly exploited in refrigeration processes such as liquefiers in air separation industrial process. In hydraulics, the warming effect from Joule–Thomson throttling can be used to find internally leaking valves as these will produce heat which can be detected by thermocouple or thermal imaging camera. Throttling is a fundamentally irreversible process. The throttling due to the flow resistance in supply lines, heat exchangers, regenerators, and other components of (thermal) machines is a source of losses that limits their performance. Since it is a constant enthalpy process, it can be used to experimentally measure the lines of constant enthalpy (isenthalps) on the diagram of a gas. Combined with the specific heat capacity at constant pressure it allows the complete measurement of the thermodynamic potential for the gas. The method of expansion discussed in this article, in which a gas or liquid at pressure P1 flows into a region of lower pressure P2 without significant change in kinetic energy, is called the Joule–Thomson expansion. The expansion is inherently irreversible. During this expansion, enthalpy remains unchanged (see proof below). Unlike a free expansion, work is done, causing a change in internal energy. Whether the internal energy increases or decreases is determined by whether work is done on or by the fluid; that is determined by the initial and final states of the expansion and the properties of the fluid. The temperature change produced during a Joule–Thomson expansion is quantified by the Joule–Thomson coefficient, This coefficient may be either positive (corresponding to cooling) or negative (heating); the regions where each occurs for molecular nitrogen, N2, are shown in the figure. Note that most conditions in the figure correspond to N2 being a supercritical fluid, where it has some properties of a gas and some of a liquid, but can not be really described as being either. The coefficient is negative at both very high and very low temperatures; at very high pressure it is negative at all temperatures. The maximum inversion temperature (621 K for N2) occurs as zero pressure is approached. For N2 gas at low pressures, is negative at high temperatures and positive at low temperatures. At temperatures below the gas liquid coexistence curve, N2 condenses to form a liquid and the coefficient again becomes negative. Thus, for N2 gas below 621 K, a Joule–Thomson expansion can be used to cool the gas until liquid N2 forms.
Физикалық механизм
Адиабатикалық кеңею кезінде сұйықтың температурасын өзгерте алатын екі фактор бар: ішкі энергияның өзгеруі немесе ішкі кинетикалық және потенциалдық энергияның түрленуі. Температура – жылулық кинетикалық энергияның (молекулалық қозғалыспен байланысты энергия) өлшемі; демек, температураның өзгеруі жылулық кинетикалық энергияның өзгеруін көрсетеді. Ішкі энергия – жылулық кинетикалық энергия мен жылулық потенциалдық энергияның қосындысы. Осылайша, ішкі энергия өзгермесе де, температура кинетикалық және потенциалдық энергияның түрленуінен өзгеруі мүмкін; мұндай өзгеріс еркін кеңеюде болады және сұйық кеңейген сайын температураның төмендеуіне әкеледі. Егер сұйық кеңейген кезде оған жұмыс жасалса немесе сұйық жұмыс атқарса, онда ішкі энергияның жалпы мөлшері өзгереді. Бұл Джоуль-Томсон кеңеюінде болады және еркін кеңеюде байқалатын қыздыру немесе салқындатудан гөрі үлкен өзгерістерге алып келеді. Джоуль-Томсон кеңеюінде энтальпия тұрақты болып қалады. Энтальпия, , ішкі энергия, қысым және көлем арқылы анықталады. Джоуль-Томсон кеңеюінің жағдайында, өзгерісі сұйық атқарған жұмысты көрсетеді (төмендегі дәлелдемеге қараңыз). Егер қысым тұрақты болса және артса, онда сұйық қоршаған ортаға жұмыс жасау нәтижесінде көлемі азаюы керек. Бұл температураның төмендеуіне және оң Джоуль-Томсон коэффициентіне әкеледі. Керісінше, егер қысым төмендесе, сұйыққа жұмыс жасалады және ішкі энергия артады. Егер кинетикалық энергияның артуы потенциалдық энергияның артуынан асып түсетін болса, сұйықтың температурасы артады және Джоуль-Томсон коэффициенті теріс болады. Идеал газ үшін Джоуль-Томсон кеңеюі кезінде өзгермейді. Нәтижесінде, ішкі энергия өзгермейді; сондай-ақ жылулық потенциалдық энергия өзгермегендіктен, жылулық кинетикалық энергияда да өзгеріс болмайды, демек температура да өзгермейді. Нақты газдарда өзгеріске ұшырайды. Газдың нақты мәнінің, сол температурадағы идеал газ үшін күтілетін мәніне қатынасы сығымдалу коэффициенті деп аталады. Газ үшін бұл, әдетте, төмен температурада бірліктен кіші және жоғары температурада бірліктен үлкен болады (сығымдалу коэффициенті туралы талқылауды қараңыз). Төмен қысымда газ кеңейген сайын мәні бірлікке жақындайды. Осылайша, төмен температурада газ кеңейген сайын және көлемі артады, нәтижесінде оң Джоуль-Томсон коэффициенті пайда болады. Жоғары температурада газ кеңейген сайын және азаяды; егер азаю жеткілікті болса, Джоуль-Томсон коэффициенті теріс болады. Сұйықтар үшін және жоғары қысымдағы суперкритикалық сұйықтар үшін қысымның артуымен көбейеді. Бірақ, соққы толқынында газ ағынының жалпы кинетикалық энергиясының өзгеруі ескерілмейді.
where is internal energy, is pressure, and is volume. Under the conditions of a Joule–Thomson expansion, the change in represents the work done by the fluid (see the proof below). If increases, with constant, then must decrease as a result of the fluid doing work on its surroundings. This produces a decrease in temperature and results in a positive Joule–Thomson coefficient. Conversely, a decrease in means that work is done on the fluid and the internal energy increases. If the increase in kinetic energy exceeds the increase in potential energy, there will be an increase in the temperature of the fluid and the Joule–Thomson coefficient will be negative. For an ideal gas, does not change during a Joule–Thomson expansion. As a result, there is no change in internal energy; since there is also no change in thermal potential energy, there can be no change in thermal kinetic energy and, therefore, no change in temperature. In real gases, does change. The ratio of the value of to that expected for an ideal gas at the same temperature is called the compressibility factor, For a gas, this is typically less than unity at low temperature and greater than unity at high temperature (see the discussion in compressibility factor). At low pressure, the value of always moves towards unity as a gas expands. Thus at low temperature, and will increase as the gas expands, resulting in a positive Joule–Thomson coefficient. At high temperature, and decrease as the gas expands; if the decrease is large enough, the Joule–Thomson coefficient will be negative. For liquids, and for supercritical fluids under high pressure, increases as pressure increases. although a shock wave differs in that the change in bulk kinetic energy of the gas flow is not negligible.
Қолданбалар
Іс жүзінде Джоуль-Томсон эффектісі газға жылу беруді болдырмау үшін өте жақсы оқшауланған болуы керек (әдетте клапан) газды құлату құрылғысы арқылы кеңейтуге мүмкіндік беру арқылы жүзеге асырылады. Кеңейту кезінде газдан ешқандай сыртқы жұмыс алынбайды (мысалы, газ турбина арқылы кеңейтілмеуі керек). Джоуль-Томсон кеңеюі арқылы пайда болатын салқындату оны салқындатуда құнды құралға айналдырады. Бұл эффект Linde әдісінде мұнай-химия өнеркәсібінде стандартты процесс ретінде қолданылады, онда салқындату эффектісі газдарды сұйыту үшін пайдаланылады және көптеген криогендік қолданыстарда (мысалы, сұйық оттегі, азот және аргон өндіру үшін) қолданылады. Газ Линде циклы арқылы сұйытылуы үшін оның инверсия температурасынан төмен болуы керек. Осы себепті, қоршаған орта температурасынан басталатын қарапайым Линде циклы сұйытқыштары гелийді, сутекті немесе неонды сұйыту үшін қолданыла алмайды. Олар алдымен 233 °C (гелий), 71 °C (сутек) және 42 °C (неон) инверсия температурасына дейін салқындатылуы керек. Мұны дәлелдеу үшін бірінші қадам – газдың m массасы тығын арқылы өткен кезде атқарылған таза жұмысты есептеу. Бұл газдың көлемі P1 қысымындағы аймақта V1 = m v1 (1-аймақ) және P2 қысымындағы аймақта (2-аймақ) V2 = m v2 болады. Содан кейін 1-аймақта қалған газдың газ мөлшеріне жасаған "ағын жұмысы" мынадай болады: W1 = m P1v1. 2-аймақта газдың қалған бөлігіне газ мөлшерімен жасалған жұмыс: W2 = m P2v2. Демек, газдың m массасына атқарылған жұмыстың жалпы саны – ішкі энергияның өзгеруінен және газ мөлшеріне атқарылған жұмыстың жалпы санының айырмасы, термодинамиканың бірінші заңы бойынша, газ мөлшеріне берілген жылудың жалпы санына тең. Джоуль-Томсон процесінде газ оқшауланған, сондықтан жылу сіңірілмейді. Бұл u1 және u2 сәйкесінше 1 және 2-аймақтардағы газдың нақты ішкі энергиясын білдіреді дегенді білдіреді. h = u + Pv спецификалық энтальпияның анықтамасын пайдаланып, жоғарыдағы теңдеу мынаны білдіреді: h1 - h2 = 0, мұнда h1 және h2 сәйкесінше 1 және 2-аймақтардағы газ мөлшерінің нақты энтальпиясын білдіреді.
The change in internal energy minus the total work done on the amount of gas is, by the first law of thermodynamics, the total heat supplied to the amount of gas. In the Joule–Thomson process, the gas is insulated, so no heat is absorbed. This means that
where u1 and u2 denote the specific internal energies of the gas in regions 1 and 2, respectively. Using the definition of the specific enthalpy h = u + Pv, the above equation implies that
where h1 and h2 denote the specific enthalpies of the amount of gas in regions 1 and 2, respectively.
T-s диаграммасындағы тежеу
Шектеу процесін сандық тұрғыдан түсінудің өте ыңғайлы жолы – hT диаграммасы, hP диаграммасы және басқалар сияқты диаграммаларды пайдалану. Көбінесе T s диаграммалары қолданылады. 2-суретте мысал ретінде азоттың T s диаграммасы көрсетілген. Әр түрлі нүктелер келесідей белгіленген:
Бұрын көрсетілгендей, шектеу h-ты тұрақты ұстайды. Мысалы, 200 бар және 300К (2-суреттегі а нүктесі) қысымынан шектеу жасағанда, 430 кДж/кг-ға тең тұрақты меншікті энтальпия сызығы (изоэнтальпия) бойымен қозғалыс жүреді. 1 бар қысымда температурасы 270К болатын b нүктесіне жетеді. Осылайша, 200 бардан 1 барға дейін шектеу жасау бөлме температурасынан судың қату температурасынан төменге дейін салқындатуға әкеледі. 200 бар және бастапқы температурасы 133К (2-суреттегі с нүктесі) қысымынан 1 барға дейін шектеу жасағанда d нүктесіне жетеді, ол азоттың екі фазалы аймағында орналасқан және температурасы 77,2К-қа тең. Энтальпия – экстенсивті параметр болғандықтан, d (hd) нүктесіндегі энтальпия, d (xd) нүктесіндегі сұйықтықтың массалық үлесіне көбейтілген e (he) нүктесіндегі энтальпияға, сондай-ақ d (1 − xd) нүктесіндегі газдың массалық үлесіне көбейтілген f (hf) нүктесіндегі энтальпияға тең болады. Сондықтан:
Сандармен қарастырсақ: 150 = xd * 28 + (1 − xd) * 230, осыдан xd шамамен 0,40 екені шығады. Бұл, сұйықтық-газ қоспасы шектеу клапанынан шыққанда, оның құрамындағы сұйықтықтың массалық үлесі 40% құрайды дегенді білдіреді.