Džul-Tomsonov efekat

U termodinamici, Džul-Tomsonov efekat je neposredni eksperimentalni dokaz da između čestica u gasu ili tečnosti postoje privlačne sile. Manifestuje se promenom temperature tečnosti ili gasa pri naglom širenju.^[1]^[2]^[3] Efekat je nazvan po Džejmsu Preskotu Džulu i Vilijamu Tomsonu (baron Kelvin) koji su ga otkrili 1852. i eksperimentalno dokazali.^[4]^[5]^[6]

Opis

Džul-Tomsonov_eksperiment

Promena veličine PV/T u funkciji pritiska za različite Т

Eksperiment se sastoji u tome da se gas iz jednog toplotno izolovanog suda (А), gde se nalazi pod povišenim pritiskom Р₁, propušta kroz porozni čep ka drugom sudu (В), gde se gas nalazi pod znatno nižim pritiskom Р₂. Posebnim pumpama se pritisci Р₁ i Р₂ održavaju stalnim. Sa obe strane poroznog čepa u gas su postavljeni termometri.

Ogled pokazuje da se gas pri prolasku kroz porozni čep, uz naglo sniženje pritiska, odnosno uz naglo širenje, hladi, zagreva ili ostaje neizmenjene temperature, u zavisnosti na kojoj temperaturi se eksperiment izvodi.

Na grafiku zavisnosti veličine PV/T od pritiska gasa uočava se da, u odnosu na idealan gas gde je veličina PV/T konstantna, realni gasovi pokazuju drugačije ponašanje.

Formule

Pretpostavimo da gas u sudu A pri pritisku Р₁ zauzima zapreminu V₁ , a da u sudu В na pritisku Р₂ zauzima zapreminu V₂. Rad koji gas izvrši je jednak:

А = Р₂V₂ - Р₁V₁

Neka je proces adijabatski kada rad gasa može da bude dobijen samo na račun promene unutrašnje energije gasa, tada je:

Р₂V₂ - Р₁V₁ = - (U₂ - U₁)

odnosno

Р₂V₂ + U₂ = Р₁V₁ + U₁

Zbir unutrašnje energije gasa i proizvoda njegovog pritiska i zapremine naziva se entalpija, a označava se sa Н,

$H=U+PV$

Bilo kakva promena entalpije sistema može da bude prikazana kao zbir parcijalnih promena usled promene temperature, odnosno pritiska. Kod Džul-Tomsonovog eksperimenta, entalpija sistema je konstantna, pa je promena entalpije jednaka nuli.

Formula za izračunavanje promene temperature i promene pritiska se dobija korišćenjem van der Valsove jednačine napisane u obliku:

$V={\frac {RT}{P}}-{\frac {a}{RT}}+b$

gde su а i b konstante, R univerzalna gasna konstanta, a P i T pritisak i temperatura.

Konačni oblik formule za izračunavanje promene temperature i promene pritiska je:

ΔТ/ΔР = {[(2а)/(RT)] - b}/С_Р,

gde je ΔТ promena temperature, ΔР promena pritiska, a С_Р Džul-Tomsonov koeficijent.

Važno je zapaziti da:

dokle god je [(2а)/(RT)] > b , kako je desna strana pozitivna, dolazi do snižavanja temperature gasa pri prelasku gasa iz prostora sa višim pritiskom u prostor sa nižim pritiskom;
kada je [(2а)/(RT)] = b , pri ekspanziji gasa nema promene njegove temperature;
kada je [(2а)/(RT)] < b , prolaz gasa ka prostoru sa sniženim pritiskom je praćen povećanjem njegove temperature.

Temperatura gasa na kojoj nema promene temperature gasa pri njegovoj ekspanziji naziva se temperatura inverzije Džul-Tomsonovog efekta, i iznosi:

Тi = 2a/Rb.

Primena

Efekat se primenjuje kao standardni proces u petrohemijskoj industriji, gde se efekat hlađenja koristi za pretvaranje gasova u tečnost, kao i u mnogim kriogenim primenama (npr. za proizvodnju tečnog kiseonika, azota i argona).

Vidi još

Reference

^ R. H. Perry and D. W. Green (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049479-4.
^ Roy, B. N. (2002). Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84313-0.
^ W. C. Edmister, B. I. Lee (1984). Applied Hydrocarbon Thermodynamics. Vol. 1 (2nd izd.). Gulf Publishing. ISBN 978-0-87201-855-6.
^ Reif, F. (1965). „Chapter 5 – Simple applications of macroscopic thermodynamics”. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-051800-1.
^ Adamson, A. W. (1973). „Chapter 4 – Chemical thermodynamics. The First Law of Thermodynamics”. A Textbook of Physical Chemistry (1st izd.). Academic Press. LCCN 72088328.
^ Castellan, G. W. (1971). „Chapter 7 – Energy and the First Law of Thermodynamics; Thermochemistry”. Physical Chemistry (2nd izd.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-00912-5.

Literatura

Milan Kurepa, Jagoš Purić, Osnovi fizike, Naučna knjiga, Beograd, 1991. god. , str. 336-339.
Zemansky, M. W. (1968). Heat and Thermodynamics; An Intermediate Textbook. McGraw-Hill. str. 182, 355. LCCN 670891 Proverite vrednost parametra |lccn= (pomoć).
Schroeder, D. V. (2000). An Introduction to Thermal Physics. Addison Wesley Longman. str. 142. ISBN 978-0-201-38027-9.
C. Kittel, H. Kroemer (1980). Thermal Physics. W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2.

Spoljašnje veze

„Joule–Thomson process”. Eric Weisstein's World of Physics.
„Joule–Thomson coefficient”. Eric Weisstein's World of Physics.
„Joule–Thomson effect”. the truncated free online version of the Encyclopædia Britannica. Arhivirano iz originala 27. 12. 2004. g. Pristupljeno 27. 12. 2016.
„Inversion Curve of Joule-Thomson Effect using Peng-Robinson CEOS”. Demonstrations Projects of Wolfram Mathematica.

[Perry-1] R. H. Perry and D. W. Green (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049479-4.

[Roy-2] Roy, B. N. (2002). Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84313-0.

[Edmister-3] W. C. Edmister, B. I. Lee (1984). Applied Hydrocarbon Thermodynamics. Vol. 1 (2nd izd.). Gulf Publishing. ISBN 978-0-87201-855-6.

[4] Reif, F. (1965). „Chapter 5 – Simple applications of macroscopic thermodynamics”. Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-051800-1.

[5] Adamson, A. W. (1973). „Chapter 4 – Chemical thermodynamics. The First Law of Thermodynamics”. A Textbook of Physical Chemistry (1st izd.). Academic Press. LCCN 72088328.

[6] Castellan, G. W. (1971). „Chapter 7 – Energy and the First Law of Thermodynamics; Thermochemistry”. Physical Chemistry (2nd izd.). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-00912-5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]