§ 60. Процесс Джоуля — Томсона

Значительный интерес представляют процессы, при которых газ или жидкость стационарно переходит от одного давления к другому давлению без теплового обмена с окружающей средой. Стационарность процесса означает при этом, что оба давления остаются неизменными в продолжение всего перехода.

Такой переход сопровождается, вообще говоря, течением газа (или жидкости) с некоторой отличной от нуля скоростью движения. Эту скорость, однако, можно искусственно сделать очень малой, если заставить газ переходить от одного давления к другому через препятствие, создающее большое трение (роль такого препятствия может играть, например, пористая перегородка или маленькое отверстие).

Стационарный переход теплоизолированного газа от одного давления к другому, происходящий в условиях, когда газ в процессе перехода не приобретает сколько-нибудь значительной скорости, называется процессом Джоуля — Томсона,

Схематически процесс Джоуля — Томсона можно представить как переход газа, находящегося в цилиндрическом сосуде, через пористую перегородку П (рис. 2, а, б), причем постоянство давлений по обе стороны перегородки достигается двумя поршнями / и 2, с помощью которых поддерживаются нужные давления рх и р2.

Пусть сперва газ занимает объем Vx между поршнем / и перегородкой П (рис. 2, о). Будем теперь вдвигать поршень / и выдвигать поршень 2, сохраняя все время действующие на поршни давления рг и р2 неизменными. В результате

газ, просачиваясь с малой скоростью через пористую перегородку, займет объем V2 между перегородкой и поршнем 2 и будет находиться под давлением р2 (рис. 2, б).

Так как в этом процессе не происходит теплового обмена с окружающей средой, то работа, производимая поршнями, должна быть равна изменению внутренней энергии газа. Поскольку давления газа остаются в течение процесса постоянными, то работа, произведенная поршнем / при вытеснении газа из объема Vx, равна просто произведению

pxVv Что же касается поршня 2, то газ, переходя через перегородку ,'производит над ним работу. Поэтому общая произведенная поршнями над газом работа равна pxVx—p2V2. Эта работа, как уже сказано, должна равняться приращению внутренней энергии газа:

где Ех и £,— внутренние энергии данного количества газа в исходном и конечном состояниях. Поэтому

или

где W~EJrрУ — тепловая функция.

Таким образом, в процессе Джоуля — Томсона сохраняется тепловая функция газа.

Для идеального газа как энергия, так и тепловая функция зависят только от температуры. Поэтому из равенства тепловых функций следует равенство температур. Иными словами, если процессу Джоуля — Томсона подвергается идеальный газ, то его температура не изменяется.

У реальных газов в процессе Джоуля — Томсона температура изменяется, причем это изменение может быть зна-

чительным. Например, воздух, расширяясь при комнатной температуре от давления 200 атм до давления 1 атм, охлаждается примерно на 40°.

При достаточно высоких температурах все газы при расширении в процессе Джоуля — Томсона нагреваются, а при более низких температурах (и не слишком больших давлениях) — охлаждаются, так что существует температура (точка инверсии), начиная с которой изменение температуры в процессе Джоуля — Томсона меняет свой знак. Положение точки инверсии зависит от давления и различно для разных газов. Например, воздух уже при комнатной температуре охлаждается в процессе Джоуля — Томсона; для достижения же такого эффекта у водорода его надо предварительно охладить не менее чем примерно до 200° К, а гелий — до 40° К.

Изменением температуры в процессе Джоуля — Томсона широко пользуются в технике для сжижения газов. При этом для снижения скорости газа пользуются обычным узким отверстием (так называемым дроссельным вентилем) и называют весь процесс дросселированием.