焦耳-开尔文效应 基本定义与发现背景 焦耳-开兰文效应（又称焦耳-汤姆逊效应）描述的是实际气体在绝热且不做外功的条件下，通过多孔塞或节流阀（如一个小孔或狭窄管道）从高压区流向低压区时，气体温度发生变化的现象。该效应由詹姆斯·焦耳和威廉·汤姆逊（后称开尔文勋爵）在19世纪中期通过实验共同发现，是实际气体与理想气体行为差异的关键体现之一。 节流过程的特点 节流过程是一个绝热（系统与外界无热交换）且不做外功（气体膨胀时不推动活塞等）的流动过程。气体在节流前后，其 焓 保持不变（即等焓过程）。这是因为在稳定流动中，初始状态与最终状态之间，气体的内能、压力能、动能之和守恒，而节流前后气体流速通常相近，动能变化可忽略，因此焓值不变。 温度变化的微观解释 对于实际气体，分子间存在相互作用力（吸引力和排斥力），这使得节流过程中温度的变化取决于两种作用的竞争： 分子间吸引力主导 ：气体膨胀时，分子平均距离增大，需克服分子间吸引力做功，消耗分子动能，导致温度下降（致冷效应）。 分子排斥力或体积效应主导 ：若气体分子自身占有体积较大，膨胀时分子间排斥力减弱，等效于内能转化为动能，导致温度上升（致热效应）。 具体效应取决于气体的种类、初始温度与压力。 焦耳-开尔文系数 定义微分焦耳-开尔文系数 μ_ JT = (∂T/∂P)_ H，表示在等焓条件下温度随压力的变化率。 μ_ JT > 0：压力降低时温度下降（致冷区）。 μ_ JT < 0：压力降低时温度上升（致热区）。 μ_ JT = 0：对应温度不变，此时温度称为 反转温度 ，不同气体反转温度不同。 反转曲线与应用 以温度为纵轴、压力为横轴，可绘制出等焓条件下的反转曲线，曲线内区域 μ_ JT > 0（致冷），曲线外区域 μ_ JT < 0（致热）。该效应是工业中气体液化（如制取液氮、液氧）和制冷技术的物理基础，通过节流膨胀使气体降温，再经热交换循环逐步冷却至液化点。 与理想气体的对比 理想气体分子间无相互作用力，且分子体积忽略不计，因此其焦耳-开尔文系数恒为零，节流前后温度不变。实际气体的该效应偏离零值，正是非理想性的重要表征。