Џул-Томсонов ефекат

Џејмс Прескот Џул

Вилијам Томсон

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. Ефекат је назван по Џејмсу Прескоту Џулу и Вилијаму Томсону (барон Келвин) који су га открили 1852. и експериментално доказали.

Опис

Датотека:Џул-Томсонов експеримент.jpg

Џул-Томсонов_експеримент

Датотека:График зависности у функцији од притиска.png

Промена величине -{PV/T}- у функцији притиска за различите -{Т}-

Експеримент се састоји у томе да се гас из једног топлотно изолованог суда (-{А}-), где се налази под повишеним притиском -{Р}-₁, пропушта кроз порозни чеп ка другом суду (-{В}-), где се гас налази под знатно нижим притиском -{Р}-₂. Посебним пумпама се притисци -{Р}-₁ и -{Р}-₂ 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 -{Р}-₁ заузима запремину -{V}-₁ , а да у суду -{В}- на притиску -{Р}-₂ заузима запремину -{V}-₂. 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

• Идеални гас
• Хлађење
• Енталпија

Литература

• Милан Курепа, Јагош Пурић, Основи физике, Научна књига, Београд, 1991. год. , стр. 336-339.
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book

Spoljašnje veze

• Шаблон:Cite web
• Шаблон:Cite web
• Шаблон:Cite web
• Шаблон:Cite web