PROFILPELAJAR.COM

У термодинамици, Џул-Томсонов ефекат је непосредни експериментални доказ да између честица у гасу или течности постоје привлачне силе. Манифестује се променом температуре течности или гаса при наглом ширењу.^[1]^[2]^[3] Ефекат је назван по Џејмсу Прескоту Џулу и Вилијаму Томсону (барон Келвин) који су га открили 1852. и експериментално доказали.^[4]^[5]^[6]

Опис

Експеримент се састоји у томе да се гас из једног топлотно изолованог суда (А), где се налази под повишеним притиском Р₁, пропушта кроз порозни чеп ка другом суду (В), где се гас налази под знатно нижим притиском Р₂. Посебним пумпама се притисци Р₁ и Р₂ одржавају сталним. Са обе стране порозног чепа у гас су постављени термометри.

Оглед показује да се гас при проласку кроз порозни чеп, уз нагло снижење притиска, односно уз нагло ширење, хлади, загрева или остаје неизмењене температуре, у зависности на којој температури се експеримент изводи.

На графику зависности величине PV/T од притиска гаса уочава се да, у односу на идеалан гас где је величина PV/T константна, реални гасови показују другачије понашање.

Формуле

Претпоставимо да гас у суду А при притиску Р₁ заузима запремину V₁ , а да у суду В на притиску Р₂ заузима запремину V₂. Рад који гас изврши је једнак:

А = Р₂V₂ - Р₁V₁

Нека је процес адијабатски када рад гаса може да буде добијен само на рачун промене унутрашње енергије гаса, тада је:

Р₂V₂ - Р₁V₁ = - (U₂ - U₁)

односно

Р₂V₂ + U₂ = Р₁V₁ + U₁

Збир унутрашње енергије гаса и производа његовог притиска и запремине назива се енталпија, а означава се са Н,

$H=U+PV$

Било каква промена енталпије система може да буде приказана као збир парцијалних промена услед промене температуре, односно притиска. Код Џул-Томсоновог експеримента, енталпија система је константна, па је промена енталпије једнака нули.

Формула за израчунавање промене температуре и промене притиска се добија коришћењем ван дер Валсове једначине написане у облику:

$V={\frac {RT}{P}}-{\frac {a}{RT}}+b$

где су а и b константе, R универзална гасна константа, а P и T притисак и температура.

Коначни облик формуле за израчунавање промене температуре и промене притиска је:

ΔТ/ΔР = {[(2а)/(RT)] - b}/С_Р,

где је ΔТ промена температуре, ΔР промена притиска, а С_Р Џул-Томсонов коефицијент.

Важно је запазити да:

докле год је [(2а)/(RT)] > b , како је десна страна позитивна, долази до снижавања температуре гаса при преласку гаса из простора са вишим притиском у простор са нижим притиском;
када је [(2а)/(RT)] = b , при експанзији гаса нема промене његове температуре;
када је [(2а)/(RT)] < b , пролаз гаса ка простору са сниженим притиском је праћен повећањем његове температуре.

Температура гаса на којој нема промене температуре гаса при његовој експанзији назива се температура инверзије Џул-Томсоновог ефекта, и износи:

Тi = 2a/Rb.

Примена

Ефекат се примењује као стандардни процес у петрохемијској индустрији, где се ефекат хлађења користи за претварање гасова у течност, као и у многим криогеним применама (нпр. за производњу течног кисеоника, азота и аргона).

Види још

Reference

^ R. H. Perry and D. W. Green (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049479-4.
^ Roy, B. N. (2002). Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84313-0.
^ W. C. Edmister, B. I. Lee (1984). Applied Hydrocarbon Thermodynamics. Vol. 1 (2nd изд.). Gulf Publishing. ISBN 978-0-87201-855-6.
^ Reif, F. (1965). „Chapter 5 – Simple applications of macroscopic thermodynamics”. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-051800-1.
^ Adamson, A. W. (1973). „Chapter 4 – Chemical thermodynamics. The First Law of Thermodynamics”. A Textbook of Physical Chemistry (1st изд.). Academic Press. LCCN 72088328.
^ Castellan, G. W. (1971). „Chapter 7 – Energy and the First Law of Thermodynamics; Thermochemistry”. Physical Chemistry (2nd изд.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-00912-5.

Литература

Милан Курепа, Јагош Пурић, Основи физике, Научна књига, Београд, 1991. год. , стр. 336-339.
Zemansky, M. W. (1968). Heat and Thermodynamics; An Intermediate Textbook. McGraw-Hill. стр. 182, 355. LCCN 670891 Проверите вредност параметра |lccn= (помоћ).
Schroeder, D. V. (2000). An Introduction to Thermal Physics. Addison Wesley Longman. стр. 142. ISBN 978-0-201-38027-9.
C. Kittel, H. Kroemer (1980). Thermal Physics. W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2.

Spoljašnje veze

„Joule–Thomson process”. Eric Weisstein's World of Physics.
„Joule–Thomson coefficient”. Eric Weisstein's World of Physics.
„Joule–Thomson effect”. the truncated free online version of the Encyclopædia Britannica. Архивирано из оригинала 27. 12. 2004. г. Приступљено 27. 12. 2016.
„Inversion Curve of Joule-Thomson Effect using Peng-Robinson CEOS”. Demonstrations Projects of Wolfram Mathematica.

[Perry-1] R. H. Perry and D. W. Green (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049479-4.

[Roy-2] Roy, B. N. (2002). Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84313-0.

[Edmister-3] W. C. Edmister, B. I. Lee (1984). Applied Hydrocarbon Thermodynamics. Vol. 1 (2nd изд.). Gulf Publishing. ISBN 978-0-87201-855-6.

[4] Reif, F. (1965). „Chapter 5 – Simple applications of macroscopic thermodynamics”. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-051800-1.

[5] Adamson, A. W. (1973). „Chapter 4 – Chemical thermodynamics. The First Law of Thermodynamics”. A Textbook of Physical Chemistry (1st изд.). Academic Press. LCCN 72088328.

[6] Castellan, G. W. (1971). „Chapter 7 – Energy and the First Law of Thermodynamics; Thermochemistry”. Physical Chemistry (2nd изд.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-00912-5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]