《物理化学》课程教学课件（PPT讲稿）02章 热力学第一定律2/2

Joule-Thomson效应s 2.10Joule-Thomson效应Joule在1843年所做的气体自由膨胀实验是不够精确的，1852年Joule和Thomson设计了新的实验，称为节流过程。在这个实验中，使人们对实际气体的U和H的性质有所了解，并且在获得低温和气体液化工业中有重要应用。山东开工大家

1 §2.10 Joule-Thomson效应 Joule-Thomson效应 Joule在1843年所做的气体自由膨胀实验是不够精 确的，1852年Joule和Thomson设计了新的实验，称为 节流过程。 在这个实验中，使人们对实际气体的U和H的性质 有所了解，并且在获得低温和气体液化工业中有重要 应用

节流过程在一个圆形绝热筒的中部多孔塞膨胀区压缩区有一个多孔塞或小孔，使气体不能很快通过，并维持塞8888pp两边的压差。Pi,V,T上图是始态，左边气体的状态为：P,V,T多孔塞压缩区膨胀区下图是终态，左边气体被P2p00压缩通过小孔，向右边膨V1D222-12胀，气体的终态为:P2,V2,T2山东州工大家2NV

2 在一个圆形绝热筒的中部 有一个多孔塞或小孔，使气 体不能很快通过，并维持塞 两边的压差。 下图是终态，左边气体被 压缩通过小孔，向右边膨 胀，气体的终态为： 2 2 2 p V T , , 上图是始态，左边 气体的状态为： 1 1 1 p V T , , p1 p2 1 1 1 p V T , , p1 p2 2 2 2 p V T , , ◆ 节流过程

节流过程膨胀区多孔塞压缩区PiPfPr,Vr,T注意：节流过程为不可逆过程（气体始终态压力分别恒定的绝热膨胀山东开王大家3tNV

3 pi pf i i i p V T , , pi pf pf f f f p V T , , ◆ 节流过程 注意：节流过程为不可逆过程（气体始终 态压力分别恒定的绝热膨胀）

节流过程的AH,AU节流过程是在绝热筒中进行的，0=0，所以：U2 -U, =△U=W（即开始，环境将一定量气体压缩时所作功以气体为系统得到的功）为：W=-piAV =-p(O-V)= pV气体通过小孔膨胀，对环境作功为：W2 =-P2△V =-P2(V2-0)=-p2V山东开王大家4

4 W p V 1 1 = −  开始，环境将一定量气体压缩时所作功（即 以气体为系统得到的功）为： 节流过程是在绝热筒中进行的，Q = 0 ，所以： U U U W 2 1 − =  = 气体通过小孔膨胀，对环境作功为： W p V 2 2 = −  = − − p V V 1 1 1 1 (0 ) = p 2 2 2 ( 0 ) 2 = − − p V V = − p ◆ 节流过程的ΔH, ΔU

节流过程的AH,AU在压缩和膨胀时，系统净功的变化应该是两个功的代数和。W = W +W2 = pVi- p2V2即U2 -U, =△U= W = pVi- P2V2移项U2 + P2V2 =U +pVH, = H△H=0节流过程是个等恰过程山东开工大家5

5 在压缩和膨胀时，系统净功的变化应该是两个 功的代数和。 W W W p V p V 1 2 1 1 2 2 = + = − 即 U U U W 2 1 − =  = 节流过程是个等焓过程 H H 2 1 = 移项 U p V U p V 2 2 2 1 1 1 + = + 1 1 2 2 = − pV p V  = H 0 ◆ 节流过程的ΔH, ΔU

Joule-Thomson系数 Uj-TUj-称为Joule-Thomson系数，是aTμj-T =T、p的函数，它表示经节流过程后Hap气体温度随压力的变化率。μj-T是系统的强度性质。因为节流过程的dp0经节流膨胀后，μJ-T <0经节流膨胀后，气体温度升高μj-T =0经节流膨胀后，气体温度不变。山东开工大家6

6 是系统的强度性质。因为节流过程的 , 所以当： J-T d 0 p  J-T ( )H T p   =  ◆ Joule-Thomson系数 J-T 称为Joule-Thomson系数，是 T、p的函数，它表示经节流过程后， 气体温度随压力的变化率。 J-T  J-T >0 经节流膨胀后，气体温度降低。  J-T <0 经节流膨胀后，气体温度升高。  J-T =0 经节流膨胀后，气体温度不变

转化温度(inversiontemperature)在常温下，一般气体的μ-均为正值。例如，空气的100kPa，气μr-r=0.4K/100kPa，即压力下降体温度下降0.4K。但H,和He等气体在常温下，μjr0当川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。山东州王大家7

7 ◆ 转化温度（inversion temperature) 当 时的温度称为转化温度，这时气体经焦 -汤实验，温度不变。 J-T  = 0 在常温下，一般气体的 均为正值。例如，空 气的 ，即压力下降 ，气 体温度下降 。 100 kPa J-T J-T  = 0.4 K /100 kPa 0.4 K 但 和 等气体在常温下， ，经节流 过程，温度反而升高。 He J-T  0 H2 若要降低温度，可调节操作温度使其 J-T   0

等烩线(isenthalpic curve)T为了求的值，必须i-T5作出等烩线，这要作若干个6节流过程实验7实验1，左方气体为p,T，经节流过程后终态为p,T，，在T-p图上标出1、2两点。p气体的等恰线实验2，左方气体仍为pT，调节多孔塞或小孔大小，使终态的压力、温度为p,T，，这就是T-p图上的点3。如此重复，得到若干个点，将点连结就是等恰线。山东开工大家8

8 ◆ 等焓线（isenthalpic curve) 为了求 的值，必须 作出等焓线，这要作若干个 节流过程实验。 J-T 如此重复，得到若干个点，将点连结就是等焓线。 实验1，左方气体为 ，经 节流过程后终态为 ，在 T-p图上标出1、2两点。 p T2 2 pT1 1 实验2，左方气体仍为 ，调节多孔塞或小孔大小， 使终态的压力、温度为 ，这就是T-p图上的点3。 pT1 13 3 p T p T 1 2 3 4 5 6 7

等烩线(isenthalpic curve)在线上任意一点的TaT切线就是该温Hop度压力下的μr 值。显然：p在点3左侧μj-T > O气体的等恰线在点3右侧μj-T <O在点3处μj-T = O山东开工大家9

9 显然： J-T  0 在点3右侧 J-T  0 在点3处 J-T = 0 在线上任意一点的 切线 ，就是该温 度压力下的 J-T 值。 ( )H T p   在点3左侧 p T 1 2 3 4 5 6 7 ◆ 等焓线（isenthalpic curve)

转化曲线(inversion curve)选择不同的起始状态PT ,作若干条等焰线。A0,是致冷区，在这个区内，可以把气体液化；虚线以右，l-r0，是致热区，气体通过节流过程温度反而升高。山东开工大家10

10 ◆ 转化曲线（inversion curve) 在虚线以左， ， 是致冷区，在这个区内，可 以把气体液化； J-T  0 虚线以右， ，是致热区，气体通过节流过 程温度反而升高。 J-T   0 选择不同的起始状态 ， 作若干条等焓线。 pT1 1 将各条等焓线的极大值 相连，就得到一条虚线，将 T-p图分成两个区域