Курсовая теория на тему Применение эффекта Джоуля Томсона

Содержание:

Введение. 3

1.   Эффект Джоуля-Томсона газ-твердое тело. 5

1.1.   Введение в эффект Джоуля Томсона. 5

1.2.   Формула эффекта Джоуля Томсона. 6

1.3.   Температура инверсии Джоуля-Томсона. 8

2.   Особенности применение эффекта Джоуля-Томсона. 11

2.1.   Использование эффекта Джоуля-Томсона. 11

2.2.   Внутренняя энергия реального газа. 12

2.3.   Эффект Джоуля – Томсона. 13

Заключение. 19

Список использованной литературы.. 21

Приложения. 22

Введение:

Актуальность темы исследования. В течение нескольких лет
Джеймс Прескотт Джоуль и Уильям Томсон — оба британские физики — работали в
сотрудничестве, проводя эксперименты, направленные на анализ и развитие
термодинамики. В 1852 году исследователи сделали особенно заметное открытие.
Они обнаружили, что изменение температуры газа может происходить в результате
внезапного изменения давления на клапане. Это явление, известное как эффект
Джоуля-Томсона (или иногда эффект Томсона-Джоуля), оказалось важным для
развития холодильных систем, а также сжижителей, кондиционеров и тепловых
насосов. Это также эффект, который вызывает охлаждение клапана шины, когда вы
выпускаете воздух из велосипедной шины.

Изменение температуры, связанное с эффектом
Джоуля-Томсона, может происходить, когда поток газа проходит через регулятор
давления, который действует как дросселирующее устройство, клапан или пористая
пробка. Здесь изменение температуры не обязательно. Чтобы уравновесить любые
изменения температуры, связанные с Джоуля-Томсоном, можно использовать
нагревательный или охлаждающий элемент.

Ожидается, что величина взаимодействия газа с твердым
телом приведет к тому, что аэрозоль, созданный при диспергировании
мелкодисперсного порошка в газе, будет иметь уникальные термодинамические
свойства, которых нет в чистых или смешанных газах. Вириальное уравнение
состояния, связанное с твердым газовым аэрозолем или запыленным газом,
получается из статистических термодинамических соображений. Теоретическая
модель аэрозоля представляет собой двухкомпонентную жидкость, состоящую из
твердых частиц и молекул газа. Вириальное уравнение состояния аэрозоля
используется для вывода выражения для эффекта Джоуля-Томсона, связанного с
дисперсией газ-твердое тело. Величина эффекта Джоуля-Томсона газ-твердое тело
выражается с помощью вириальных коэффициентов газ-твердое тело и газ-твердое
тело. Предыдущие данные по адсорбции для системы аргон-пористый углерод
используются для получения вириальных коэффициентов газ-твердое тело и для
прогнозирования значительного усиления эффекта Джоуля-Томсона, прогнозируемого
для систем газ-твердое тело, которые демонстрируют сильные взаимодействия.

Устройство было сконструировано для диспергирования
тонкого порошка в потоке газа и измерения тепловых изменений, связанных с
падением давления на стеклянном отверстии. Эффект Джоуля-Томсона газ-твердое
тело был исследован для 12 различных систем газ-твердое тело при температуре
302 К. Измерения серии аэрозолей, состоящих из четырех различных углеродных
адсорбентов с аргоном, азотом и диоксидом углерода, подтверждают эффект и
ставят новые вопросы.

Заключение:

В физике эффект Джоуля-Томсона или эффект Джоуля-Кельвина
описывает изменение температуры газа или жидкости, когда они проталкиваются
через клапан или пористую пробку, когда они остаются изолированными, чтобы не
происходило теплообмена с окружающей средой. При комнатной температуре все
газы, кроме водорода, гелия и неона, охлаждаются при расширении по процессу
Джоуля-Томсона.

Эффект назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля и Уильяма
Томсона, 1-го барона Кельвина, которые открыли его в 1852 году после более
ранней работы Джоуля по «Джоулева расширению», в котором газ подвергается
свободному расширению в вакууме.

«Адиабатическое» (без теплообмена) расширение газа может
осуществляться несколькими способами. Изменение температуры газа во время
расширения зависит от начального и конечного давления, а также от способа,
которым осуществляется расширение.

* Если процесс расширения является обратимым, что
означает, что газ все время находится в термодинамическом равновесии, это
называется «изэнтропическим» расширением. В этом сценарии газ совершает
положительную работу во время расширения, и его температура снижается.

* С другой стороны, при свободном расширении газ не
работает и не поглощает тепло, поэтому внутренняя энергия сохраняется. При
таком расширении температура идеального газа останется постоянной, но
температура реального газа может либо увеличиваться, либо уменьшаться в
зависимости от начальной температуры и давления.

* Метод расширения, обсуждаемый в этой статье, в котором
газ или жидкость под давлением P1 течет в область более низкого давления P2
через клапан или пористую пробку в установившихся условиях и без изменения
кинетической энергии, называется методом Джоуля-Томсона. процесс. При этом
энтальпия остается неизменной.

Изменение температуры любого знака может происходить во
время процесса Джоуля-Томсона. Каждый реальный газ имеет температуру инверсии
Джоуля-Томсона (Кельвина), выше которой расширение при постоянной энтальпии
вызывает повышение температуры, а ниже которой такое расширение вызывает
охлаждение. Эта инверсионная температура зависит от давления; для большинства
газов при атмосферном давлении температура инверсии выше комнатной, поэтому
большинство газов можно охладить от комнатной температуры за счет изэнтальпического
расширения.

По мере расширения газа среднее расстояние между
молекулами увеличивается. Из-за сил межмолекулярного притяжения (см. «Сила
Ван-дер-Ваальса») расширение вызывает увеличение потенциальной энергии газа.
Если в процессе не извлекается внешняя работа и не передается тепло, общая
энергия газа остается неизменной из-за сохранения энергии. Таким образом,
увеличение потенциальной энергии означает уменьшение кинетической энергии и,
следовательно, температуры.

Второй механизм имеет противоположный эффект. Во время
столкновения молекул газа кинетическая энергия временно преобразуется в
потенциальную. По мере увеличения среднего межмолекулярного расстояния
количество столкновений в единицу времени уменьшается, что вызывает уменьшение
средней потенциальной энергии. Опять же, общая энергия сохраняется, поэтому это
приводит к увеличению кинетической энергии (температуры).

Ниже температуры инверсии Джоуля – Томсона преобладает
первый эффект (внутренняя работа, направленная против сил межмолекулярного
притяжения), и свободное расширение вызывает снижение температуры. Выше
температуры инверсии молекулы газа движутся быстрее и поэтому чаще
сталкиваются, и последний эффект (уменьшение столкновений, вызывающих
уменьшение средней потенциальной энергии) преобладает: расширение
Джоуля-Томсона вызывает повышение температуры.

Фрагмент текста работы:

1. Эффект Джоуля-Томсона газ-твердое тело 1.1. Введение в эффект Джоуля Томсона Эффект Джоуля-Томсона, также известный как эффект
Джоуля-Кельвина, относится к изменению температуры жидкости, когда она течет из
области более высокого давления в область более низкого давления. Эффект
Джоуля-Томсона можно описать с помощью коэффициента Джоуля-Томсона. Кроме того,
коэффициент Джоуля-Томсона является производной парциального давления по
температуре при постоянной энтальпии [7].

Коэффициент Джоуля-Томсона будет изменяться в зависимости
от температуры и давления. Кроме того, коэффициент Джоуля-Томсона будет
варьироваться от одной жидкости к другой. Кроме того, кривая инверсии относится
к кривой, которая описывается коэффициентом Джоуля-Томсона, равным нулю, как
функция температуры и давления.

Адиабатическое (без теплообмена) расширение газа может
происходить несколькими способами в рамках эксперимента с эффектом
Джоуля-Томсона. Изменение температуры газа во время расширения зависит не
только от начального и конечного давления, но и от того, как происходит
расширение.

Если процесс расширения обратимый, так что газ всегда
будет в термодинамическом равновесии, расширение будет изоэнтропическим. Здесь
температура газа понижается, и он совершает положительную работу во время
расширения [8].

Газ не работает в свободном расширении, и не происходит
поглощения тепла. Таким образом, сохраняется внутренняя энергия. Здесь
температура идеального газа останется постоянной, но реальная температура газа
снизится, за исключением чрезвычайно высокой температуры.

Расширение Джоуля – Томсона относится к методу
расширения, при котором газ или жидкость под давлением P1 без значительного
изменения кинетической энергии течет в область более низкого давления P2.
Расширение, безусловно, необратимо по своей сути.

Во время такого расширения энтальпия не изменится. Кроме
того, определение того, увеличивается или уменьшается внутренняя энергия,
зависит от того, выполняется ли работа жидкостью или с текучей средой. Это
означает, что он определяется начальным и конечным состояниями свойств
жидкости.

Коэффициент Джоуля-Томсона позволяет количественно
оценить изменение температуры во время отображения расширения Джоуля-Томсона.
Кроме того, этот коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным.
Кроме того, положительное значение соответствует охлаждению, а отрицательное –
нагреву [2].