焦耳-湯姆生效應是氣體通過多孔性物質(如棉絮、石棉等)而發生不可逆絕熱膨脹後溫度發生變化的現象。在通常溫度下，許多氣體膨脹後都變冷，但氫和氦則變熱。事實上每種氣體相應於一定壓強都有一個確定的溫度，稱為轉換溫度，在這溫度以下時，膨脹後變冷，在這溫度以上時膨脹後變熱。一般稱變冷的情況為“正效應”，變熱為“負效應”。工業上液化氣體(如製造液態空氣)時，常反覆利用焦耳-湯姆生正效應使它逐步冷卻，直至變為液體。
基本介紹
- 中文名：焦耳-湯姆生效應
- 外文名：Joule-Thomson effect
- 類別：物理學
- 簡稱：焦湯效應
- 提出者：普雷斯科特·焦耳和威廉·湯姆生
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起源
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳是英國物理學家。主要成就：確立熱和機械功之間的當量關係——熱功當量，證明熱和機械能及電能的轉化關係，為能量守恆定律的建立打下堅實的實驗基礎，是能量守恆定律發現者之一；研究電流熱效應，給出焦耳楞次定律，並否定了“熱質說”，指出熱本質問題的研究方向；研究空氣膨脹和壓縮時的溫度變化規律，發現焦耳-湯姆生效應，是從分子動力學的立場出發深入研究氣體規律的先驅者之一。
在進行熱功當量測量實驗的同時，1844年開始，焦耳研究空氣在膨脹和壓縮過程中溫度變化規律，並取得了一些研究成果。計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。1845年，焦耳完成了氣體自由膨脹時降溫的試驗。1852年，焦耳和著名物理學家威廉·湯姆生(後來受封為開爾文勳爵)合作，改進試驗。1865年二人共同發表的論文中提出：當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降。這一現象後來被稱為焦耳-湯姆生效應。這一試驗結論廣泛地套用於低溫和氣體液化等領域，因而可以說，焦耳是從分子動力學的立場出發進行深入研究的先驅者之一。焦耳和湯姆生的合作時間很長，在焦耳一生髮表的97篇科學論文中有20篇是他們的合作成果。
焦耳-湯姆生試驗
圖2-11中的裝置為一絕熱圓筒，中間用剛性多孔塞隔開。左側氣體的壓力、溫度為P1、T1，利用活塞緩慢推動，使在恆定P1、T1下有體積V1的氣體通過多孔塞向右側膨脹。右側通過另一活塞使氣體壓力保持在P1，使左側P1、T1條件下體積為V1的氣體進入右側後壓力降為P2，體積變為V2，實驗中能夠測出右側氣體的溫度為T2。
焦耳-湯姆生試驗
焦耳-湯姆生試驗上述過程的始末態可分別表示為P1、V1、T1及P2、V2、T2。這種在絕熱條件下氣體的始末態分別保持壓力恆定的膨脹過程稱節流膨脹。上述實驗即焦耳-湯姆生實驗。生產中恆壓流體流動時突然受阻，使壓力下降，即可認為屬此情況。
當始態為常壓及室溫時，多數氣體經節流膨脹後溫度下降，稱致冷效應。有些氣體如氫、氦等節流膨脹後溫度升高，產生致熱效應。實驗還可測得各種氣體在壓力足夠低時，則節流膨脹前後溫度基本不變。
基本原理
溫度上升：當分子碰撞，位能暫時轉成動能。由於分子之間的平均距離上升，每段時間的平均碰撞次數上升，位能下降，因此動能上升，溫度上升。
低於反轉溫度時，前者的影響較為明顯，高於反轉溫度時，後者影響較明顯。
焦耳-湯姆生係數
節流膨脹過程的熱力學特徵，可用熱力學第一定律作如下分析：
因過程絕熱，故
過程的總功W是左側活塞推送V1體積的氣體通過多孔塞時所作的功與進入右側V2體積的氣體推動活塞所作功的代數和，故
即
上式說明節流膨脹過程始末態焓值相等，有時稱為等燴過程。因此，理想氣體經節流膨脹是不會發生溫度變化的。真實氣體心焓是溫度與壓力的函式，故節流膨脹使壓力改變
時，將引起溫度改變
。過程中溫度隨壓力的變化率可表示為
。下標H表示等焓過程。針對物系的某一狀態來說，這種變化率可表示為：
套用
卡爾·馮·林德利用焦耳-湯姆生效應來進行製冷。
套用焦耳-湯姆遜效應所研製出的氬氦刀,已在臨床上推廣套用,其關鍵技術是控制低溫區域和冷凍速率。
