节流过程的焦耳—汤姆逊效应及其应用毕业论文.docx

2012届学士学位毕业论文
节流过程的焦耳一汤姆逊效应及其应用
学 号：
姓 名：
指导教师：
专 业： 物理学
系 别：电子信息与物理系
完成时间：2012年5月
节流过程的焦耳--汤姆逊效应及其应用
摘要：低温技术在现代科学技术中有重要的应用。 目前常用节流过程或者节流过程与绝热
膨胀相结合的方法获得低温。
关键词：节流；低温；焦耳一汤姆逊效应；制冷循环
如图1所示，管子用不导热的材料包着，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的压强较低的压强， 于是，气体从高压的一边经多孔塞 不断的流到低压的一边，并达到定常，这个过程就叫做 节流过程。测量气体在多 孔塞两边的温度表明，在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦 耳一汤姆逊效应。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来获 取低温液化气体。焦汤效应的典型大小是，为了使气体的温度降至临界温度以下 而液化，可以令节流过程重复进行，并通过逆流热交换器使经节流膨胀降温后的 气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起 来。
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，遇到缩口或调节 阀门等阻力元件时由于局部阻力产生， 压力显著下降的过程。节流膨胀过程由于 没有外功输出，而且工程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换量可忽略， 近似作为绝热过程来处理。根据稳定流动能量方程 ：
、Q=dH 、W ()
得出绝热节流前后流体的始值不变，由于节流时流体内部存在摩擦阻力损耗， 所 以它是一个典型的不可逆过程，节流后的嫡必定增大。
绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。 对于任
何处于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的。这是由于在两相区饱和 温度和饱和压力是一一对应的，饱和温度随压力的降低而降低。对于理想气体， 始是温度的单值函数，所以绝热节流后始值不变，温度也不变。对于实际气体， 始是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温度降低、升高和不变3种情况都可 能出现。这一温度变化现象称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效，焦汤效应。
2实际气体的节流效应
实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应， 也称
为焦耳-汤姆逊系数，表示在始不变的条件下气体温度随压强的变化率：
T cT " 一
N = 6H = — ()
16P ?H
N>0表示节流后温度降低，N<0表示节流后温度升高。当压降(P2-P1)为一
有限数值时，整个节流过程产生的温度变化叫做积分节流效应：
T -T2 -T1 = P2 -P1f HdP ()
理论上，可以使用热力学基本关系式推算出 N的表达式进行分析。有始的特性可
知：
dH =CPdT V -T
dP
()
由于始值不变，dH=0,将上式移项整理可得:
-H =
1 ~(cVy 一 1
—— -V
-T p
()
<cV 一
由式()()可知，微分节流效应的正负取决于 T ［和v的差值。若这一差
值大于0,则H >0节流时温度降低；若等于0则8H =0,节流时温度不变；若小于 0则用<0,节流时温度升高。
从物理实质出发，可以用气体节流过程中的能量转化关系来解释着三种情况 的出现，由于节流前后气体的始值不变，所以节流前后内能的变化等于进出推动 功的差值:
U2 -Ui uRVi -匹
气体的内能包括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，其内位能总是增大的。由于实际气体与玻义耳定律存在偏差， 在某个 温度下节流后，PV值的变化可能有以下3种情况：
①PVl - PV2时U2 <Ui即节流后内能减小。由于内位能总是增大的，所以内 动能必定减小，那么节流后气体温度降低。
②PVi =P2V2时Ui =U2即节流后内能不变。此时，内位能的增加等于内动能 的减少，节流后气体温度仍然降低。
③PVi AP2V2时U2 AUi即节流后内能增大。此时，若内动能的增加小于内势 能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低；若内能的增加大于内位能的增加， 则内动能必然要增大，温度要上升。
由以上分析可知，在一定压力下，气体具有某一温度时，节流后满足
PVi >P2V2且PV值的减少量恰好补足了内位能的增量， 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Tinv表示。
转化温度的计算和变化关系可根据式（）,令6H=0得到。下面利用范得