節流膨脹

節流膨脹（）較高壓力下的流體（氣或液）經多孔塞（或節流閥）向較低壓力方向絕熱膨脹過程。

基本介紹

• 中文名：節流膨脹
• 外文名：Throttling Expansion
• 簡介：高壓氣體經過小孔
• 詞性：名詞
• 分類：膨脹

節流膨脹原理

高壓氣體經過小孔或閥門受一定阻礙後向低壓膨脹的過程。

1852年，焦耳和湯姆遜設計了一個節流膨脹實驗，使溫度為T1的氣體在一個絕熱的圓筒中由給定的高壓p1經過多孔塞(如棉花、軟木塞等)緩慢地向低壓p2膨脹。多孔塞兩邊的壓差維持恆定。膨脹達穩態後，測量膨脹後氣體的溫度T2。他們發現，在通常的溫度T1下，許多氣體(氫和氦除外)經節流膨脹後都變冷(T2<T1)。如果使氣體反覆進行節流膨脹，溫度不斷降低，最後可使氣體液化。

節流閥

至今節流膨脹仍是工業上液化氣體的一個重要方法。例如林德(Linde)法。根據熱力學原理，在焦耳-湯姆遜實驗(Joule-Thomsen’s experiment)中系統對環境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分別為始態和終態的體積。Q=0，故ΔU=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。所以焦耳-湯姆孫實驗(簡稱焦湯實驗)的熱力學實質是焓不改變，或者說它是一個等焓過程(isenthalpic process)。

鑒於1843年,焦耳的自由膨脹實驗不夠精確,1852年焦耳和湯姆遜設計了一個節流膨脹實驗來觀察實際氣體在膨脹時所發生的溫度變化。實驗如下：在一個圓形絕熱筒的中部,置有一個剛性的多孔塞,使氣體通過多孔塞緩慢地進行節流膨脹,並且在多孔塞的兩邊能夠維持一定的壓力差,實驗時,將壓力和溫度恆定為p1和t1的某種氣體,連續地壓過多孔塞,使氣體在多孔塞右邊的壓力恆定為p2,且p1>p2.由於多孔塞的孔很小,氣體只能緩慢地從左側進入右側,從p1到p2的壓力差基本上全部發生在多孔塞內,由於多孔塞的節流作用,可保持左室p1部分和右室低壓p2的部分壓力恆定不變,即分別為p1與p2.這種維持一定壓力差的絕熱膨脹過程叫做節流膨脹。

焦耳-湯姆遜係數

不同氣體在大氣壓下的焦耳-湯姆遜係數，如左圖。

不同氣體在大氣壓下的焦耳湯姆遜係數

焦耳-湯姆遜（開爾文）係數可以理解為在等焓變化的節流膨脹中（或是焦耳-湯姆遜作用下）溫度隨壓力變化的速率。表達式如下：

V——表示氣體體積；

Cp——表示該氣體的等壓熱容；

α——表示該氣體的熱膨脹係數。

μJT的國際單位是K/Pa，通常用°C/bar。

當μJ.T是正數是，則氣體降溫，反之則升溫。大氣壓下焦耳湯姆遜效應中氦氣和氫氣通常為升溫性質的氣體，而大多數氣體則是降溫，對於理想氣體焦耳湯姆遜係數為零，在焦耳湯姆遜效應中既不升溫也不降溫。

下面我們來推導這個表達式：

前提一：焦耳湯姆遜效應是一個絕熱不可逆過程容易推導得出這是一個等焓過程，則dH=O。

前提二：由基礎熱力學關係式（將dS用dT和dP表示），則

推導：由於

所以上式可以寫成：

再通過Maxwell關係變化式：

則可得到：

於是可得：

It is easy to verify that for an ideal gas the thermal expansion coefficient α is 1 / T, and so an ideal gas does not experience a Joule-Thomson effect. This is important: the cooling of a gas by pure isentropic expansion is not Joule-Thomson cooling, although it is sometimes erroneously called J-T cooling by some laboratory practitioners.