Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Эффект Джоуля–Томсона — изменение температуры реального газа при адиабатическом дросселировании, то есть при прохождении через узкое сечение (пористую перегородку, диафрагму, вентиль) без теплообмена с окружающей средой и без совершения полезной работы. На этом эффекте основаны промышленные технологии сжижения газов и работа холодильных машин.
Эффект Джоуля–Томсона открыт английскими физиками Джеймсом Прескоттом Джоулем и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1852 году. Они изучали, как меняется температура газа при медленном протекании через пористую пробку при перепаде давлений. Оказалось, что большинство газов при комнатной температуре охлаждается, а водород и гелий — нагреваются.
Процесс дросселирования протекает при постоянной энтальпии (изоэнтальпийный процесс): h₁ = h₂. Для идеального газа изменение температуры равно нулю, но для реального газа учёт межмолекулярного взаимодействия даёт ненулевой эффект.
Коэффициент Джоуля–Томсона:
μJT = (∂T/∂p)h
Через термодинамические параметры:
μJT = (1/cp)·[T·(∂V/∂T)p − V]
где cp — удельная теплоёмкость при постоянном давлении, V — удельный объём, T — абсолютная температура.
При прохождении через дроссель газ совершает работу против межмолекулярных сил. У реальных газов потенциальная энергия молекул при увеличении расстояния между ними меняется, и эта энергия черпается из кинетической энергии теплового движения. Поэтому температура изменяется.
Молекулы реального газа взаимодействуют через потенциал Леннард-Джонса: на больших расстояниях — притягиваются, на малых — отталкиваются. При расширении (увеличении среднего расстояния):
Для газа Ван-дер-Ваальса в приближении малых поправок коэффициент имеет вид:
μJT ≈ (1/cp)·(2a/RT − b)
где a — поправка на межмолекулярное притяжение, b — поправка на собственный объём молекул, R — универсальная газовая постоянная.
Температура инверсии — температура, при которой μJT = 0 и эффект Джоуля–Томсона меняет знак. Ниже этой температуры газ при дросселировании охлаждается; выше — нагревается.
Для сжижения H₂ и He их предварительно охлаждают ниже температуры инверсии (для водорода — жидким азотом, для гелия — жидким водородом или адиабатическим расширением).
Промышленный цикл Линде (К. Линде, 1895) основан на эффекте Джоуля–Томсона. Газ сжимают до 15–20 МПа, охлаждают в теплообменнике, дросселируют через вентиль с резким падением давления и температуры. Часть газа конденсируется; несконденсировавшаяся часть возвращается через теплообменник, охлаждая новую порцию сжатого газа.
Цикл применяется для сжижения воздуха, азота, кислорода, аргона, природного газа (СПГ).
Воздух при T = 293 К, p₁ = 10 МПа дросселируется до p₂ = 0,1 МПа. Коэффициент μJT для воздуха при этих условиях ≈ 0,25 К/бар.
ΔT ≈ μJT·Δp = 0,25 К/бар × (−99 бар) = ≈ −24,8 К
То есть температура снизится примерно на 25 °C. Реальные значения зависят от давления (μ нелинейно меняется), но порядок верный.
Преимущества:
Ограничения:
Эффект Джоуля–Томсона — фундаментальное явление термодинамики реальных газов, лежащее в основе всей криогенной техники и парокомпрессионных холодильных циклов. Понимание знака коэффициента, температуры инверсии и условий применимости необходимо инженерам-теплотехникам при проектировании холодильных установок, систем разделения воздуха и узлов редуцирования газа. Корректный расчёт изменения температуры при дросселировании напрямую влияет на эффективность и безопасность технологического процесса.
Материал носит ознакомительный и образовательный характер. Автор не несёт ответственности за результаты практического применения изложенной информации без надлежащей проверки квалифицированным специалистом и сверки с действующей нормативно-технической документацией.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.