2021年度节流过程的焦耳汤姆逊效应及其应用论文.doc

学士学位毕业论文
节流过程焦耳—汤姆逊效应及其应用
学 号:
姓 名:
指导老师:
专 业: 物理学
系 别: 电子信息和物理系
完成时间: 5月
节流过程焦耳--汤姆逊效应及其应用

摘要 : 低温技术在现代科学技术中相关键应用。 现在常见节流过程或节流过程和绝热膨胀相结合方法取得低温。
关键词: 节流; 低温; 焦耳—汤姆逊效应; 制冷循环

图1所表示, 管子用不导热材料包着, 管子中间有一个多孔塞或节流阀, 多孔塞两边各维持着较高压强较低压强, 于是, 气体从高压一边经多孔塞不停流到低压一边, 并达成定常, 这个过程就叫做节流过程。 测量气体在多孔塞两边温度表明, 在节流过程前后, 气体温度发生了改变, 这效应称为焦耳—汤姆逊效应。 现在常见节流过程或节流过程和绝热膨胀相结合方法来获取低温液化气体。 焦汤效应经典大小是, 为了使气体温度降至临界温度以下而液化, 能够令节流过程反复进行, 并经过逆流热交换器使经节流膨胀降温后气体对以后进入气体进行预冷, 从而把各次节流膨胀所取得冷却效应积累起来。
图1
　
1 绝热节流过程
节流是高压流体气体、 液体或气液混合物)在稳定流动中, 碰到缩口或调整阀门等阻力元件时因为局部阻力产生, 压力显著下降过程。 节流膨胀过程因为没有外功输出, 而且工程上节流过程进行得很快, 流体和外界热交换量可忽略, 近似作为绝热过程来处理。 依据稳定流动能量方程:
()
得出绝热节流前后流体焓值不变, 因为节流时流体内部存在摩擦阻力损耗, 所以它是一个经典不可逆过程, 节流后熵肯定增大。
绝热节流后, 流体温度怎样改变对不一样特征流体而言是不一样。 对于任何处于气液两相区单一物质, 节流后温度总是降低。 这是因为在两相区饱和温度和饱和压力是一一对应, 饱和温度随压力降低而降低。 对于理想气体, 焓是温度单值函数, 所以绝热节流后焓值不变, 温度也不变。 对于实际气体, 焓是温度和压力函数, 经过绝热节流后, 温度降低、 升高和不变3种情况全部可能出现。 这一温度改变现象称为焦耳-汤姆逊效应, 简称J-T效
, 焦汤效应。
2 实际气体节流效应
实际气体节流时, 温度随微小压降而产生改变定义为微分节流效应, 也称为焦耳-汤姆逊系数,表示在焓 不变条件下气体温度随压强改变率:
　　 ()
>0表示节流后温度降低, <0表示节流后温度升高。 当压降(P2-P1)为一有限数值时, 整个节流过程产生温度改变叫做积分节流效应:
　 ()
理论上, 能够使用热力学基础关系式推算出表示式进行分析。 有焓特征可知:
　 ()
因为焓值不变, =0, 将上式移项整理可得:
　　 ()
由式()()可知, 微分节流效应正负取决于和v差值。 若这一差值大于0, 则>0节流时温度降低;若等于0则=0, 节流时温度不变;若小于0则<0, 节流时温度升高。
　　从物理实质出发, 能够用气体节流过程中能量转化关系来解释着三种情况出现, 因为节流前后气体焓值不变, 所以节流前后内能改变等于进出推进功差值:
　　
　　气体内能包含内动能和内势能两部分, 而气体温度是降低、 升高、 还是不变, 仅取决于气体内动能是减小、 增大、 还是不变。 因气体节流后压力总是降低, 比容增大, 其内位能总是增大。 因为实际气体和玻义耳定律存在偏差, 在某个温度下节流后, 值改变可能有以下3种情况:
　　①时即节流后内能减小。 因为内位能总是增大, 所以内动能肯定减小, 那么节流后气体温度降低。
　　②时即节流后内能不变。 此时, 内位能增加等于内动能降低, 节流后气体温度仍然降低。
　　③时即节流后内能增大。 此时, 若内动能增加小于内势能增加, 则内动能是减小, 温度仍是降低;若内能增加大于内位能增加, 则内动能肯定要增大, 温度要上升。
　　由以上分析可知, 在一定压力下, 气体含有某一温度时, 节流后满足且PV值降低许恰好补足了内位能增量, 这时节流前后温度不变, 即微分节流效应等于0, 这个温度称为转化温度, 以表示。
　　转化温度计算和改变关系可依据式(), 令=0得到。 下面利用范得瓦尔方程给予分析。 将范德瓦尔方程:
在等压下对Ti