2.11节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
物理化学02章_热力学第一定律2
p2 ,V2 , T2
p2
2
节流过程
多孔塞 膨胀区
压缩区
pi
pi ,Vi , Ti
pf ,Vf , Tf
pf pf
注意：节流过程为不可逆过程（气体始终 态压力分别恒定的绝热膨胀）
3
节流过程的ΔH, ΔU
节流过程是在绝热筒中进行的，Q = 0 ，所以：
U2 U1 U W
开始，环境将一定量气体压缩时所作功（即 以气体为系统得到的功）为：
节流过程
在一个圆形绝热筒的中部 有一个多孔塞或小孔，使气 压缩区 多孔塞 体不能很快通过，并维持塞 p1 两边的压差。 p1 ,V1 , T1 上图是始态，左边 气体的状态为： p1,V1,T1
压缩区
膨胀区
p2
多孔塞
膨胀区
下图是终态，左边气体被 p1 压缩通过小孔，向右边膨 胀，气体的终态为： p2 ,V2 ,T2
21
1.2 Q的计算
可逆相变为相平衡压力下的过程，是一等压过程， 因此：
Q H nHm
22
1.3 W的计算
W pe dV p
V2
V1
dV p(V2 V1 )
其中一相为气体，例液→气，
W = - p（Vg-Vl)= -pVg= -nRT（理想气体） 两相均为凝聚相
26
§2.11
热化学
化学反应的热效应
反应进度 标准摩尔焓变
27
1.化学反应的热效应－等压热效应与等容热效应
反应热效应 当系统发生反应之后，使产物的温度回到反应 前始态时的温度，系统放出或吸收的热量，称为该 反应的热效应。 等压热效应 Q p 反应在等压下进行所产生的热效应 为Q p ，如果不作非膨胀功，则 Qp r H 等容热效应 QV 反应在等容下进行所产生的热效应 为 QV ,如果不作非膨胀功， QV rU ,氧弹热量计中 测定的是 QV
焦耳汤姆孙效应原理
焦耳汤姆孙效应原理
"焦耳汤姆孙效应"（Joule Thomson effect）是指当气体或液体在一个封闭的系统中通过绝热节流装置（如阀门或孔隙）时，由于节流装置的局部压力降低，使得流体的温度下降的现象。
这个效应是以英国物理学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule）和威廉·汤姆孙（William Thomson，也被称为开尔文勋爵）的名字命名的，因为他们对这一现象做
出了重要贡献。
焦耳汤姆孙效应的原理可以用以下几个步骤来解释：
1. 流体在节流装置前后的压力发生变化，根据伯努利原理，流速增加的同时，压力降低。
2. 由于节流装置处压力降低，流体分子的平均动能增加，导致温度升高。
然而，由于节
流过程是绝热的，即没有热量交换，流体的内能不变。
3. 根据热力学第一定律，系统内能的变化等于外界对系统做的功加上系统吸收的热量。
在绝热节流过程中，系统内能不变，因此外界对系统做的功必须转化为系统的冷量，即流体的温度下降。
4. 这个冷量表现为节流后流体的温度低于节流前的温度。
这个现象在制冷技术中非常有用，是制冷循环中的一个重要过程。
焦耳汤姆孙效应在工程应用中非常广泛，尤其是在制冷和空调技术中，它被用来解释制冷剂在压缩机和节流装置（如膨胀阀）中的温度变化。
此外，这个效应也是喷气发动机工作原理的一部分。
焦耳汤姆逊效应作用
焦耳汤姆逊效应作用焦耳汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）是指当某种气体在压力变化时，同时被限制在绝热条件下通过一个孔隙或窄缝时，会出现温度变化的现象。
该效应得名于英国科学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳和威廉·汤姆孙，他们在1852年首次观察到此现象。
焦耳汤姆逊效应的物理原理是热力学中的可逆绝热过程。
当气体通过一个孔隙或窄缝时，其分子会发生势能和动能的交换。
在压力减小的过程中，气体分子的动能转化为势能，使其速度和动量减小。
由于气体分子的动能与温度直接相关，这种减小的动能会导致气体的温度降低。
相反，在压力增加的过程中，气体分子的势能转化为动能，导致气体升温。
焦耳汤姆逊效应在很多领域都有重要的应用。
下面是一些与焦耳汤姆逊效应相关的应用：1. 制冷技术：焦耳汤姆逊效应被广泛应用于气体制冷技术。
当高压气体通过节流阀放松至低压时，气体温度降低，从而实现制冷效果。
这种原理常被用于家庭和商业中的制冷设备，如冰箱和空调。
2. 天然气液化：焦耳汤姆逊效应在天然气液化过程中起到关键作用。
天然气通常在高压下输送，但要将其转化为液态以提高储运的效率。
通过利用焦耳汤姆逊效应，在适当的压力和温度条件下，气体能够迅速冷却并液化。
3. 超低温实验：焦耳汤姆逊效应也被用于实验室研究中的超低温实验。
通过将气体通过窄小的管道，可以使气体温度降低到非常低的程度，用于冷冻和研究极低温下的物质特性。
4. 燃料电池：燃料电池是一种将化学能转化为电能的设备。
焦耳汤姆逊效应被用来控制和调节燃料电池中氢气和氧气的温度，以提高电池的效率和性能。
总结起来，焦耳汤姆逊效应是在可逆绝热条件下气体通过孔隙或窄缝时产生的气体温度变化现象。
它不仅在制冷技术中有广泛应用，还在天然气液化、超低温实验和燃料电池等领域发挥着重要作用。
通过研究焦耳汤姆逊效应，我们可以更好地理解气体的物理性质，并将其应用于解决实际问题。
焦耳—汤姆逊效应的物理原理解析
焦耳—汤姆逊效应的物理原理解析焦耳—汤姆逊效应是热力学领域中重要的概念之一，它描述了物质的内能与外界的互动关系。
本文将从物理原理的角度来分析焦耳—汤姆逊效应的形成机制以及其应用场景。
一、焦耳—汤姆逊效应的定义焦耳—汤姆逊效应是指，当一定量的气体或液体由高温区域向低温区域移动时，它们的温度会发生变化。
具体地说，物体的内部能量会发生变化，但由于温度与内部能量成比例，因此温度也会随之变化。
二、焦耳—汤姆逊效应的发现历程焦耳—汤姆逊效应最早是由英国科学家焦耳在1854年进行的一系列实验中发现的。
他将氢气通过窄口流出，在气体流经的狭窄区域中观察了温度的变化。
由于氦气的热容比氢气大，氦气的温度变化更为显著，因此焦耳将焦耳—汤姆逊效应称为“氦通道现象”。
后来汤姆逊也在常压下观察到了这一现象，并与焦耳一同对其进行了深入研究。
三、焦耳—汤姆逊效应的物理机制焦耳—汤姆逊效应的物理机制可以通过热力学理论来解释。
实际上，随着气体或液体的流动，它们与周围环境接触的面积也随之增加，进而使得系统的热量交换增多。
当物体流过狭窄区域时，它们的流速会增加，从而交换的热量也会随之增加。
当流速越来越高时，这种增加的热量也会越来越大，最终导致温度的升高。
另一方面，如果物体在广阔区域内运动，则热交换会更为平稳，温度变化更不明显。
因此只有在狭窄区域内流动时，才能观察到较为显著的焦耳—汤姆逊效应。
四、焦耳—汤姆逊效应的应用场景焦耳—汤姆逊效应具有广泛的应用场景。
例如，在液压系统中，这种效应会导致液体的温度升高，从而影响液体的粘度等物理特性。
在化学反应中，焦耳—汤姆逊效应的影响也非常显著。
例如，当某种化学反应需要保持低温时，焦耳—汤姆逊效应可用于热控系统设计中，以确保反应能够在合适的温度条件下进行。
总之，焦耳—汤姆逊效应是物理学中的重要概念之一，它揭示了物质内部能量与外界的互动关系，并为现代科学技术的发展提供了理论基础。
我们应该深入研究这一效应的物理机制，并探索其在不同领域的应用价值。
【物理化学】2-11焦汤效应
故 U2 − U1 = p1V1 − p2 V2 得 U2 + p2V2 = U1 + p1V1 H2 = H1 都变而H不变 现T, p都变而 不变 表明 随T 的改变与随 p 的改 都变而 不变, 表明H 变相互抵消. 可见, 真实气体的H 的函数, 变相互抵消 可见 真实气体的 是T, p 的函数 而不只 2 的函数. 是T 的函数
制 冷 机 工 作 原 理
例31 例32 例33
•
在等焓的情况下, 在等焓的情况下 节流过程中温度随压力的变化 率称为焦耳 汤姆逊系数或节流膨胀系数. 焦耳-汤姆逊系数 率称为焦耳 汤姆逊系数或节流膨胀系数
μ JT
def ∂ T ∂p
H
因为∂p < 0,所以 0,所以 因为∂ µJT < 0,流体节流后温度升高; 0,流体节流后温度升高 流体节流后温度升高; µ JT > 0,流体节流后温度下降; 0,流体节流后温度下降 流体节流后温度下降; µ JT = 0,流体节流后温度不变. 0,流体节流后温度不变 流体节流后温度不变. 理想气体的焓仅是温度的函数, 理想气体的焓仅是温度的函数, 在等焓情况下温 度恒不变, 其节流膨胀系数为零. 度恒不变, 其节流膨胀系数为零.
焦耳—汤姆逊阀制冷原理
焦耳—汤姆逊阀制冷原理节流膨胀（Throttling Expansion）也叫焦耳—汤姆逊膨胀，即较高压力下的流体（气或液）经多孔塞（或节流阀）向较低压力方向绝热膨胀过程。
1852年，焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。
多孔塞两边的压差维持恒定。
膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。
他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2<T1)。
如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。
调节阀在管道中起可变阻力的作用。
它改变工艺流体的紊流度或者在层流情况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或“摩擦”所引起的。
这一压力降低过程通常称为“节流”。
对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非理想程度(焦耳一汤姆逊效应)。
在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。
根据热力学原理，在焦耳-汤姆逊实验中系统对环境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分别为始态和终态的体积。
Q=0，故ΔU=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。
所以焦耳-汤姆孙实验的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程。
由于理想气体的焓值只是温度的函数，即焓值不变温度不变，故理想气体节流前后温度不变。
对于实际气体，其比焓是温度和压力的函数，即比焓受温度和压力的共同影响，又节流过程焓值不变，则压力降低，温度就会变化。
焦耳-汤姆逊（开尔文）系数可以理解为在等焓变化的节流膨胀中（或是焦耳-汤姆逊作用下）温度随压力变化的速率。
μJT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。
当μJ.T是正数是，则气体降温，反之则升温。
大气压下焦耳汤姆逊效应中氦气和氢气通常为升温性质的气体，而大多数气体则是降温，对于理想气体焦耳汤姆逊系数为零，在焦耳汤姆逊效应中既不升温也不降温。
《节流膨胀与焦耳-汤姆逊效应》课件
二、基本公式
1.基本定义式
W体
W体
p外dV =-
V2 V1
p外dV
U Q W dU Q W
H = U + pV △H = △U+ △(pV)
U QV
H Qp
Cp,m CV ,m R
2.能量求算式
理想气体单纯PVT变化过程：
ΔP=0
W pWV nRT
W = - p外⊿V
Q ΔH
5.解：
n=5mol T1=298.15K p1=200kPa
V1
Qa 0
n=5mol T2=244.58K p2=100kPa
V2
dP 0
dV 0
n=5mol T3 p3
V2 = V3
Wb
P1 (V3
V1 )
P1
( nRT2 P2
nRT1 P1
)
7.940 kJ
U Wa Qa Wb Qb
-W
0
B
C
H
m
B
0
B
B
Q=0
⊿U
0
r
H
m
T2
r
H
m
T1
T2
T1
nrCCpv,m,dmTΔT
Qpn,mCp,QmVΔ,m T B(g)RT
3.相关等量式
T2 (V1 )R/CV ,m ( P2 )R/Cp,m
T1 V2
P1
T2V2 1 T1V1 1 p2V2 p1V1
1
1
T2 p2 T1 p1
W - pambV p3V 5.00kJ
Q W 5.00kJ
20.解： 该过程为可逆相变过程
Qp H pvapHm 2557 kJ
第十一节节流膨胀与焦耳-汤姆逊实验
p1 , V1 , T1
p 2 , V2 , T2
p2p 2 p2
二、节流膨胀的热力学特征 Q=0
U 2 − U1 = ∆U = W
左侧： 左侧：We,1 = − p1∆V = − p1 ( 0 − V1 ) = p1V1 右侧： 右侧： e,2 = − p2 ∆V = − p2 (V2 − 0 ) = − p2V2 W
We = We,1 + We,2 = p1V1 − p2V2
U 2 − U1 = ∆U = We = p1V1 − p2V2 U 2 + p2V2 = U1 + p1V1
H 2 = H1
∆H = 0
节流过程是个恒焓过程
真实气体的焓不只是温度的函数， 真实气体的焓不只是温度的函数，而且是体积或压力 的函数。 的函数。即 ：
2.11 节流膨胀与 Joule-Thomson实验 实验
一、Joule-Thomson实验
压缩区 多孔塞 膨胀区 压缩区 多孔塞 膨胀区
p1
p1 , V1 , T1
p2
p1
p2 , V2 , T2
膨胀区 膨胀区
p2
节流膨胀过程
压缩区 压缩区
多孔塞 多孔塞
绝热条件下， p 绝热条件下， p 1 气体始末态压力分 1 别保持恒定条件下 的膨胀过程。 的膨胀过程。
µ ＜0 µ =0
dT ＞ 0
如:H2 、He
如:pg dT = 0 室温常压下的多数气体， 致冷效应 室温常压下的多数气体，经节流膨胀 后温度下降的现象。 后温度下降的现象。 氦等少数气体， 致热效应 氢、氦等少数气体，经节流膨胀后温 度上升的现象。 度上升的现象。 时的温度称为转化温度， 当µJ-T = 0 时的温度称为转化温度，这时气体经焦 汤实验，温度不变。 -汤实验，温度不变。
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显然，在点3左侧，
J-T 0
在点3右侧， J-T 0 在点3处，
J-T 0 。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应 思考题：
1. 将置于室内的一电冰箱的箱门打开，使其致冷机运转，能 否降低全室温度？设该机在 0℃ 与室温(25℃)作理想可 逆循环每小时能冻出 1Kg 的冰，如房间的总热容为 150KJ· K-1，估算电冰箱工作 10 小时后室内温度的变化？
但 H 和 He 等气体在常温下， J-T 0，经节流过程， 2 温度反而升高。若降低温度，可使它们的 J-T 0 。 当 J-T 0 时的温度称为转化温度，这时气体经焦 -汤实验，温度不变。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应 为了求 J-T 的值，必须 作出等焓线，这要作若干个 节流过程实验。 实验1，左方气体为 p1T1 ，经 节流过程后终态为 p2T2 ，在 T-p图上标出1、2两点。
开始，环境将一定量气体压缩时所作功（即以 气体为体系得到的功）为：
W1 p1V pV1 1
(V =0 V1 V1)
气体通过小孔膨胀，对环境作功为：
W2 p2V p2V2
(V =V2 0 V2 )
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应 在压缩和膨胀时体系净功的变化应该是两个功 的代数和。
J-T是体系的强度性质。因为节流过程的dp 0 ,
所以当：
J-T >0 J-T <0 J-T =0
经节流膨胀后，气体温度降低。 经节流膨胀后，气体温度升高。 经节流膨胀后，气体温度不变。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
在常温下，一般气体的 J-T 均为正值。例如，空 气的 J-T 0.4 K /101.325 kPa ，即压力下降 101.325 kPa ， 气体温度下降 0.4 K 。
实验2，左方气体仍为 p1T1 ，调节多孔塞或小孔大小， 使终态的压力、温度为 p3T3 ，这就是T-p图上的点3。
如此重复，得到若干个点，将点连结就是等焓线。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
在线上任意一点的
T 切线 ( ) H，就是该温 p
度压力下的J-T 值。
W W1 W2 p1V1 p2V2
即 移项
U2 U1 p1V1 p2V2 U2 p2V2 U1 p1V1
H2 H1
节流过程是个恒焓过程。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
J-T
T ( )H p
J-T 称为焦-汤系数（JouleThomson coefficient),它表示经节流 过程后，气体温度随压力的变化率。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
1. 焦耳—汤姆逊 (Joule-Thomson实验) 实验原理图如右图： 节流膨胀： 绝热条件下，气体始末态 压力分别保持恒定的条 件下的膨胀过程，称为 节流膨胀过程 。
2.11 节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应 节流过程是在绝热筒中进行的，Q=0 ，所以：
U2 U1 U W
答：不能。因为，冰箱门打开，箱内与室内空气流通，使高 低两个热源温度相等。致冷机工作，致冷机消耗的电功以 及冰箱内冷却器 (低温热源)吸的热都以热的形式放到室 内 (高温热源)，当冰箱门打开时，室内空气又流入箱内， 使室内气温升高。这样，总的效果是致冷机消耗电能转化 为室内空气的内能，反使室内温度升高。因而使室内温度 非但不降低反而升高。