Дроссельный эффект (эффект Джоуля-Томсона)

Дроссельный эффект был обнаружен Джоулем и Томсоном опытным пу­тем в 1852 г. [Опытами было установлено, что в результате дросселирования изменяется температура рабочего тела. Это явление было названо эффектом Джоуля-Томсона. Изменение температуры при дросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы притяжения и отталкива­ния между молекулами. При дросселировании происходит расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все это приводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратой рабо­ты, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры.

Температура идеального газа в результате дросселирования не изменяет­ся, и эффект Джоуля-Томсона в данном случае равен нулю. Таким образом, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется величиной отклонения свойств реального газа от идеального, что связано с действием межмолекулярных сил.

Различают дифференциальный и интегральный температурные дроссель-эффекты. При дифференциальном эффекте Джоуля-Томсона температура изменяется на бесконечно малую величину, а при интегральном - на конеч­ную величину. Если давление газа уменьшается на бесконечно малую вели­чину dp, то происходит бесконечно малое изменение температуры, т.е. dT_i = a_idp_i или

(7.18)

Величина a_i называется дифференциальным температурным эффектом Джоуля-Томсона. Значение а, можно определить из уравнения (см. § 5.48)

Учитывая, что при дросселировании нет изменения энтальпии (di = 0), полу­чим

Отсюда

(7.19)

Дроссельный эффект может быть положительным, отрицательным и рав­ным нулю. Положительный дроссель-эффект имеет место в случае, когда при дроселировании температура газа понижается. Отрицательный - когда по­вышается. В случае неизменности температуры при дросселировании на­блюдается нулевой эффект Джоуля-Томсона. Состояние реального газа при дросселировании, когда дроссельный эффект равен нулю, называется точкой инверсии. В этой точке происходит смена знака температурного эффекта. Если температура газа перёд дросселированием меньше температуры инвер­сии, то газ при дросселировании охлаждается, если больше - то нагревается.

Для нахождения условий, при которых происходит изменение температу­ры газа или она остается неизменной, необходимо проанализировать уравне­ние (7.19), записанное в виде

(7.20)

При дросселировании dp < 0, так как давление газа всегда уменьшается. Теплоемкость с_р - величина положительная. Отсюда следует, что знак dT

зависит от знака выражения и всегда ему противоположен.

Тогда при , при ,

при T (dv / dT) _p - v = 0 dT = 0. Случай, когда dT = 0 можно использовать для

получения температуры инверсии Т_нн.

T (dv/dT) _р - v = 0, T_нн=v/ (dv/dT) _р.

Последнее выражение называется уравнением кривой инверсии (кривой, на которой дроссельный эффект равен нулю).

Интегральный эффект Джоуля-Томсона определяется в результате интег­рирования уравнения (7.20)

.