焦耳汤姆逊效应原理
§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应
高压 低压
多孔塞
•实验发现，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并 不相等， •温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强的数 值有关。
绝热条件下，高压气体经过多孔塞、小孔、通径 很小的阀门、毛细管等流到低压一边的稳定流动 过程称为节流过程。 目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实现节 流膨胀的。
称为负节流效应。它们只有在足够低温度下才呈现正
节流效应。
用以研究节流过程的等焓线
W1 p1A1l1 p1V1 W2 p2 A2l2 p2V2
• 外界对定量气体所作的净功为
W W1 W2 p1V1 p2V2
注意到绝热过程 Q = 0，则由第一定律
U Q W U 2 U1 p1V1 p2V2
绝热节流过程前后的焓不变 H1 H 2
• 理想气体在节流过程前后的温度都不变。为什么? • 但是一般气体在常温下节流会致冷。 • 低温工程利用节流致冷效应来降低温度。 • 但对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高，
§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应
• 使物体温度降低的常用方法有下列五种：
• ① 通过温度更低的物体来冷却； • ② 通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释
热等)来降温； • ③ 通过绝热膨• 大多数制冷机都是通过（工作媒质）气体液化来获
得低温热源，通过液化工质的蒸发吸热来提供制冷量 的。 • 气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。 • 本节中专门介绍焦耳 - 汤姆逊效应,也称节流效应。 • 下图为焦耳 - 汤姆逊实验示意图。
•以. 活塞左边气体为研究对象， 当气体全部穿过多孔塞以后，它
的状态参量从 V1 变为 V2 ，p1 变为 p2 ,T1 变为 T2 。
•设气体都在左边时的内能为 U1 ， •气体都在右边时的内能为 U2 。
J-T阀的原理
J-T阀就是焦耳-汤姆逊节流膨胀阀。
焦耳-汤姆逊节流膨胀原理简单的说就是加压空气经过节流膨胀后温度会下降。
焦耳—汤姆逊阀制冷原理节流膨胀（ThrottlingExpansion）也叫焦耳一汤姆逊膨胀，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pl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△U=-（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。
M JT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。
当M JT是正数是，则气体降温，反之则升温。
2.11节流膨胀与焦耳—汤姆逊效应
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 。
焦耳-汤姆孙实验、真实气体的内能
*焦耳-汤姆孙实验、真实气体的内能●焦耳实验●焦耳定律•焦耳-汤姆孙实验•真实气体的内能§3 循环过程卡诺循环3.1循环过程3.2理想气体的卡诺循环及效率作业：8-6,7 , 8气体真空A BC1845年焦耳用自由膨胀实验研究了气体的内能。
实验结果表明：水温不变!焦耳-汤姆孙实验真实气体的内能右图为其实验装置的示意图。
容器A 充满气体，容器B 为真空。
AB 相连处用一活门C 隔开，将它们全部浸在水中。
将活门打开后，气体将自由膨胀并充满A 和B 。
焦耳测量了自由膨胀前后水温的变化。
焦耳实验说明：（诚然，在膨胀过程中，后进到容器B 的气体将对先进入B 的气体作功，但此功是气体系统内部各部分之间进行的，不是外界对气体系统所作的功。
）把热力学第一定律应用于此过程：Q=0 A=0因为所以D U=0 即U(T,V)=恒量即气体绝热自由膨胀过程是一个等内能过程。
*膨胀前后气体的温度没有改变。
*水和气体没有发生热交换。
Q=0，即气体的自由膨胀是绝热过程。
气体向真空自由膨胀过程中不受外界阻力，所以外界不对气体作功，即气体对外界不作功A=0。
体积改变，内能不变体积改变，温度不变焦耳实验结果气体的内能只是温度的函数，与体积无关。
}U=U(T,V)dU=( )V dT+( )T dV dT=0 (焦耳实验结果）dU=( )T dVdU=0 (自由膨胀前后内能不变）且dV 0( )T =0TU ∂∂V U ∂∂VU∂∂VU∂∂≠Q Q \\数学表达式：焦耳实验的结果是否正确？事实上，焦耳的实验并不精确，原因是水的热容比气体要大上千倍，气体膨胀前后即使会有微小的温度变化，也不足以引起水的温度发生可观察的变化，焦耳无法检测到水温变化。
后来，在1852年焦耳和汤姆逊做了节流过程实验，才较好的测得气体的内能。
焦耳的结果只适用于理想气体。
只有在实际气体密度趋于零的极限情形下，气体的内能才只是温度的函数而与体积无关。
焦耳定律U=U(T)或（）T =oV U/∂∂理想气体没有节流效应。
汤姆逊效应—搜狗百科
汤姆逊效应—搜狗百科
1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。
1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。
1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。
1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。
汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。
在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。
或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。
这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。
节流过程的三个效应
节流过程的三个效应节流过程，这可是个有趣又重要的话题啊！你知道吗，它有三个神奇的效应，就像三把神奇的钥匙，能打开节能省钱的大门。
先来说说第一个效应——焦耳-汤姆逊效应。
这就好比是一条流淌的小河，突然遇到了狭窄的河道。
原本快速流动的水流，速度一下子慢了下来。
在节流过程中，气体或者液体通过狭窄的通道，压力降低，温度也跟着发生变化。
这是不是很神奇？想象一下，我们家里的空调，不就是利用这个原理来调节温度的吗？再讲讲第二个效应——绝热膨胀效应。
这就好像一个充满气的气球，突然被放开了口子，气体迅速往外冲。
在节流过程中，物质的体积增大，内能减少，温度也就降低了。
就像冬天里，我们哈出一口气，那口气迅速膨胀变冷。
这个效应在工业生产中可有着大用处呢，比如制冷设备的制造。
最后说说第三个效应——等焓效应。
这就像是一个神奇的魔法，虽然能量的形式发生了变化，但是总的能量却保持不变。
好比一个魔术师，把手里的红布变成了蓝布，但手里的布的总量没有变。
在节流过程中，焓值保持恒定，压力和温度却发生了改变。
你想想看，要是我们能好好利用这三个效应，那能节省多少能源，节省多少钱啊！比如说，在工厂的生产线上，通过合理控制节流过程，就能降低能耗，提高生产效率，这不是一举两得吗？在日常生活中，我们也能找到节流过程三个效应的影子。
就像我们夏天用的喷雾瓶，按压喷头时，里面的液体快速喷出，不也有类似的原理吗？这小小的喷雾瓶，不也给我们带来了便利和清凉吗？所以啊，了解节流过程的这三个效应，不仅能让我们增长知识，还能让我们在生活和工作中更加得心应手。
说不定，你还能从中发现新的商机，创造出更节能、更高效的产品呢！你说是不是？总之，节流过程的三个效应，是我们生活和工作中的好帮手，我们可不能忽视它们的存在！。
《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
焦耳汤姆逊效应原理的各种气体效果
焦耳汤姆逊效应原理的各种气体效果
焦耳汤姆逊效应原理是描述光在不同介质中传播速度变化的现象，其中气体效应是其中一个重要的研究领域。
下面将介绍几种气体效应：
1. 大气折射：大气层中分布着不同密度的气体，光线经过大气层时会发生折射，导致视觉上的位置偏移和扭曲。
2. 空气散射：空气中的分子会散射光线，使得远处的物体看起来模糊不清。
这种效应也是造成蓝天的原因。
3. 气体吸收：某些气体可以吸收特定波长的光线，例如臭氧层吸收紫外线。
4. 瑞利散射：空气中的分子会散射短波长的光线，这种现象被称为瑞利散射。
这是为什么天空看起来蓝色的原因。
5. 雾霾：雾霾是由大气中的污染物质形成的，它们会吸收和散射光线，导致视觉上的模糊和不清晰。
这些气体效应对环境和人类生活都有着深远的影响，因此对它们的研究和理解非常重要。
- 1 -。
焦耳实验和 焦耳-汤姆 孙实验 资料大学精品课程.ppt
焦耳实验表明： 实际气体不服从焦 耳定律，但出入不 大；有焦耳效应， 却不显著。
焦耳－汤姆孙实验 表明：实际气体既不 服从焦耳定律，又不 服从理想气体物态方 程；通常不出现零效 应。
范德瓦耳斯气 体在焦汤姆孙实 验中温度既可能降 低，又可能升高、 还可能保持不变。
范德瓦耳斯气体在焦耳汤姆孙实验中温度既可能降低又可能升高还可能保持不变
焦耳实验和 焦耳－汤姆
孙实验
焦耳实验和焦 耳－汤姆孙实验 都是研究气体内 能的著名实验。
焦耳实验是绝热 自由膨胀过程，是 等内能过程。
U=0. v0.
焦耳－汤姆孙 实验是绝热节流 膨胀过程，是等 焓过程。
H=0. p0.
焦耳实验可用焦
耳系数描述。
=(T/v)u
=(u/v)T/Cv.
焦耳－汤姆孙实 验可用焦耳－汤姆
孙系数描述。
=(T/p)h
=(h/p)T/Cp.
理想气体在焦耳实 验中温度不变。
T=0. =0.
这表明理想气体的内 能只是温度的函数。
理想气体在焦耳－汤 姆孙实验中温度不变。
T=0. =0.
这表明理想气体的焓只 是温度的函数。
物理化学-JOULE－THOMSON节流效应与致冷
5 Joule －Thomson 节流效应与致冷热力学第一定律对实际气体的成功应用莫过于Joule －Thomson （焦耳—汤姆逊）效应，它以精确的实验为基础，经过第一定律的严格分析，得到了具有实用价值的结论。
为了说明这个效应最好从Joule 实验谈起。
1. Joule 实验1843年Joule 在做热功当量实验的同时，也对气体膨胀时所引起的温度改变进行了研究，其中包括空气向真空自由膨胀时温度的变化。
他的实验装置如图5-1所示，A 和B 是两个等体积的铜容器，其中A 容器充有22atm （约2MPa ）的干空气，B 容器抽成真空，两个容器用连接器D 对接，然后放进水浴中。
E 是温度计，用来测量气体膨胀前后的温度。
实验时先后打开左边和右边两个容器间的考克C ，空气便由A 容器向B 容器自由膨胀，Joule 没有观察到膨胀前后水浴温度的改变。
图5-1 Joule 实验装置如果取干空气为系统，那末，这是一个组成不变的均相封闭系统，它在反抗真空膨胀时没有作功，即W ＝0。
水浴温度不变，表明系统与环境间没有热量传递，即Q ＝0。
故由第一定律可得ΔU ＝0，或者在经历一个微小过程时d U ＝0。
这表明Joule 实验是一个恒热力学能过程。
由于这个系统的状态只需指定两个独立的状态变量V 和T 即可确定，故（5-1）（5-2）现在，既然Joule 观察到膨胀前后温度没有改变，则0)/(=∂∂U V T ，故可得（5-3）即干空气的内压力等于零。
显然，这个结论有些意外。
因为专题4已述，内压力可视为分子间作用力大小的热力学量度。
2MPa 的干空气已是压力可观的实际气体，其分子间的作用力理应不可忽视。
由此可见，Joule 实验未能正确地反映事实，从这一点说来，这个实验是失败的。
然而，对于理想气体，式（5—3）倒是一个正确的结论。
它表明理想气体的热力学能仅是温度的函数，与体积（或压力）无关。
这个结论亦称Joule 定律。
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焦耳汤姆逊效应原理
加约尔效应（也称为约瑟夫-加约尔或者简称为“加约尔”、“JT”、“JTC”）又称焦耳-汤姆逊效应，是一种物理学中的现象，它定义了在一个简单的电路系统中，一个晶体的电阻率会因为另一个晶体的存在而改变的原理。
这种效应由美国物理学家威廉·约瑟夫·加约尔（William Joseph Josephson）首次发现，他根据功率法则预测并证实了一种电路可以用一个金属接触处另一种金属接触处来连接，改变第一个负载的电阻量，而不需要中间介质或上来电池。
简单地说，加约尔效应就是一个未加电路电荷两端之间的事件。
这一物理现象因两个金属接触点之间的电容而产生，并由电路传导电流。
两个不同的晶体的电路中的电荷交换和电势的改变会改变另一个晶体的电阻值。
加约尔效应是一种物理现象，它使得电子元件之间的电容性连接变得可能，使得无线通信在技术上可行。