《物理化学》课程教学课件（PPT讲稿）第02章 热力学第一定律（2/2，2.10-2.18）

§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。 ②也本开上大掌

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 有一个多孔塞或小孔，使气 压缩区 多孔塞 膨胀区 体不能很快通过，并维持塞 两边的压差。 上图是始态，左边 气体的状态为：p,V,T 压缩区 多孔塞 膨胀区 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p2,V2,T2 P2-V2-12 2 ⑥少东m2大￥

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 压缩区 多孔寒 膨胀区 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) 3 ⑥少本2大￥

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△H,△U 节流过程是在绝热筒中进行的，Q=0,所以： U,-U,=△U=W 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： W=-PAV =-P(0-V)=pV 气体通过小孔膨胀，对环境作功为： W2=-P2AV=-P2(V2-0)=-P,' 4 ③恤求开2大￥

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△H,△U 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=PV-P2V2 即 U,-U=△U=W=pV-p2V3 移项 02+p2V2=0+PV H2=H1 △H=0 节流过程是个等焓过程 5 ⑥少东开大￥

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H-T 4-r称为Joule-Thomson系数，是 4T三 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。 4-T是系统的强度性质。因为节流过程的dp0 经节流膨胀后，气体温度降低。 4-T<0 经节流膨胀后，气体温度升高。 4灯-T=0 经节流膨胀后，气体温度不变。 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 (inversion temperature) 在常温下，一般气体的4灯均为正值。例如，空 气的4r=0.4K/100kPa,即压力下降100kPa,气 体温度下降0.4K。 但H2和He等气体在常温下，4r0 当4T=0时的温度称为转化温度，这时气体经焦 汤实验，温度不变。 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

等焓线(isenthalpic curve) 为了求红的值，必须 作出等焓线，这要作若干个 节流过程实验。 实验1，左方气体为P,I,经 节流过程后终态为p,I,，在 Tp图上标出1、2两点。 气体的等焓线 实验2，左方气体仍为P,?,调节多孔塞或小孔大小， 使终态的压力、温度为p,I,这就是Tp图上的点3。 如此重复，得到若干个点，将点连结就是等焓线。 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

◆ 等焓线(isenthalpic curve) 在线上任意一点的 切线 江)n, 就是该温 D 度压力下的4红值。 显然： 在点3左侧 4-T>0 在点3右侧 4T<0 气体的等烩线 在点3处 4.T=0 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p,I, 作若干条等焓线。 r0, 是致冷区，在这个区内，可 以把气体液化； 虚线以右，4T<0，是致热区，气体通过节流过 程温度反而升高。 10 ⑥也东大￥

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。 1 1 pT 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