節流膨脹過程

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

熱膨脹是指與外界沒有熱量交換，但氣體對外界做功，氣體膨脹。根據熱力學第一定律，可證明這是等焓過程，在這個過程中氣體體積增大，壓強降低，因而溫度降低。所以絕熱膨脹經常用於降低氣體的溫度，起到冷凍的效應。

基本介紹

• 中文名：節流膨脹過程
• 外文名：Throttling Expansion
• 領域：熱力學
• 對象：氣體或液體等流體
• 條件：高壓向低壓絕熱膨脹
• 定理：熱力學第一定律

簡介

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

大氣中作垂直運動的氣塊的狀態變化通常接近於絕熱過程。氣塊上升，外界氣壓逐漸降低，氣塊體積膨脹作功消耗內能而降溫，叫“絕熱冷卻”；氣塊下沉，外界氣壓逐漸加大，氣塊體積因外力作功被壓縮，使其內能增加而升溫，叫“絕熱增溫”。

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，如圖1。

圖1 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：

表達式

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。

表達式

前提二：由基礎熱力學關係式（將dS用dT和dP表示），則：

表達式

推導：由於：

表達式

所以上式可以寫成：

表達式

絕熱膨脹

熱膨脹是指與外界沒有熱量交換，但氣體對外界做功，氣體膨脹。根據熱力學第一定律，可證明這是等熵過程，在這個過程中氣體體積增大，壓強降低，因而溫度降低。所以絕熱膨脹經常用於降低氣體的溫度，起到冷凍的效應。

絕熱膨脹過程中，氣體的體積V增大，壓強p降低，等熵過程的溫度隨壓強的變化而變化。過程可用等熵效應係數來衡量。又由於系統不和外界交換熱量，即dQ=0，故由熱力學第一定律，氣體的溫度必然降低。

從能量轉化的角度看，氣體在絕熱膨脹過程中減少其內能而對外做功，膨脹後氣體分子間的平均距離增大，吸力的影響減弱而使分子間的互作用能量有所增加。內能既減少，相互作用能量又增加，分子的平均動能必減少，因而氣體的溫度下降，起到冷凍的效果。

絕熱膨脹法是德國科學家林德等人在征服“永久氣體”的過程中研究發現的。壓縮—絕熱膨脹法的過程是先向容器里裝入氣體，施加高壓，通過外界做功，使氣體體積變小，氣體分子運動加快（增加分子的平均動能），溫度升高，接著通過冷卻劑的蒸發吸熱，帶走熱量，把受壓氣體冷卻到原來的溫度。然後斷絕容器（系統）與外界的熱交換，讓受壓的氣體通過狹窄的口子急劇膨脹，對外做功，由於從外界吸收的熱量為零，因此只能減少自身的內能，從而達到降溫的目的。

絕熱過程

熱力學系統始終不與外界交換熱量， 即dQ =0 的過程。理想氣體準靜態絕熱過程的方程為，其中p、V 是理想氣體的壓強、體積，是定壓熱容與定體熱容之比。根據熱力學第一定律，在絕熱過程中，系統對外所作的功等於內能的減少量。根據熱力學第二定律，在可逆的絕熱過程中，系統的熵不變。用良好絕熱材料隔絕的系統中進行的過程，或由於過程進行得太快，來不及與外界有顯著熱量交換的過程，都可近似地看作絕熱過程。例如內燃機、蒸汽機汽缸中工作物質的膨脹過程， 壓汽機汽缸中的壓縮過程，汽輪機噴管中的膨脹過程，以及氣象學中空氣團的升降過程，還有聲波在空氣中的傳播過程等，都可當作絕熱過程處理。

在和周圍環境之間沒有熱量交換或者沒有質量交換的情況下，一個系統的狀態的變化。大氣層中的許多重要現象都和絕熱變化有關。例如，在大氣層的下層通常存在著溫度隨高度而遞減，主要就是由於空氣絕熱混合的結果。導致水蒸汽凝結、雲和雨形成的降溫作用，主要是由於空氣上升時溫度下降的結果；晴朗的、乾燥的天氣通常是與空氣下沉引起的增溫變乾作用有關。上升空氣的降溫作用和下沉空氣的增溫作用主要是由於空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結果。如果一個受到增溫作用或降溫作用的系統通過輻射和傳導與周圍發生熱量交換，那么就稱之為非絕熱過程（diabaticprocess）。