焦耳-汤姆孙效应
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焦耳-汤姆孙效应是指气体会因在等焓的环境氮气的膨胀,而使温度上升或下降。这个过程称为焦耳-汤姆孙过程。
描述
各种气体定律说明了温度、压力和体积。当体积不可逆回地上升,这些定律不能清楚说明压力和温度的改变。而在可逆绝热过程中,气体膨胀做了正功,因此温度下降。
可是,真实气体(相对理想气体而言)在等焓环境下自由膨胀,温度会上升或下降(是哪方看初始温度而定)。对于给定压力,真实气体有一个焦耳-汤姆孙反转温度,高于温度时气体温度会上升,低于时气体温度下降,刚好在这温度时气体温度不变。许多气体的在1大气压力下的反转温度高于室温。
焦耳-汤姆孙系数
在焦耳-汤姆孙过程,温度随压力的改变称为焦耳-汤姆孙系数:
对于不同气体,在不同压力和温度下,的值不同。可正可负。考虑气体膨胀,此时压力必下降,故。
是 | 因为是 | 因此必是 | 气体 |
---|---|---|---|
+ | - | - | 冷却 |
- | - | + | 变暖 |
若,则温度不随压力也不随体积而变,此时气体位于反转点,而此温度称之反转温度。
氦和氢在1个大气压力下,反转温度相当低(例如氦便是−222℃)。因此,这两种气体在室温膨胀时温度上升。
对于理想气体,。
原理
温度下降:当气体膨胀,分子之间的平均距离上升。因为分子间吸引力,气体的势能上升。因为这是等焓过程,系统的总能量守恒,所以势能上升必然会令动能下降,故此温度下降。
温度上升:当分子碰撞,动能暂时转成势能。由于分子之间的平均距离上升,每段时间的平均碰撞次数下降,势能下降,因此动能上升,温度上升。
低于反转温度时,前者的影响较为明显,高于反转温度时,后者影响较明显。
应用
焦耳第二定律
很容易证实,对于由合适的微观假设定义的理想气体,αT = 1,因此在焦耳-汤姆逊膨胀下这种理想气体的温度变化为零。对于这样一种理想的气体,这个理论结果意味着:
- 理想气体的固定质量的内部能量仅取决于其温度(而非压力或体积)。
这个规则最初是由焦耳实验发现的,它被称为焦耳第二定律。当然,更精确的实验发现了重要的偏差。 [1][2][3]
参考
- Zemansky, M.W. Heat and Thermodynamics. McGraw-Hill. 1968., p.182, 335
- Schroeder, Daniel V. Thermal Physics. Addison Wesley Longman. 2000., p.142
- Kittel, C., and Kroemer, H. Thermal Physics. W.H. Freeman and Co. 1980.
- Perry, R.H. and Green, D.W. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill Book Co. 1984. ISBN 978-0-07-049479-4.
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- ^ Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1 Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London, pp. 614–615.
- ^ Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0, p. 116.
- ^ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 81.