焦耳-汤姆逊效应

1. 基本定义
   焦耳-汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）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（或多孔物质）从高压区向低压区稳定节流膨胀时，气体温度发生变化的现象。该过程也称为“节流过程”。

2. 实验装置与条件

   • 装置：一个绝热良好的管，中间放置多孔塞（如棉花或陶瓷），左侧持续维持较高压力 \(P_1\)，右侧维持较低压力 \(P_2\)，气体缓慢通过多孔塞。
   • 条件：
     （1）绝热：系统与外界无热量交换；
     （2）不做功：气体整体不对外做功，也不从外界获得功（尽管气体流过塞子时，内部有微小摩擦，但宏观上视为不做轴功）；
     （3）稳定流动：气体流动状态稳定，入口和出口参数不随时间变化。

3. 热力学分析

   • 节流过程是等焓过程。对绝热稳定流动，由热力学第一定律可推导出：入口处气体的焓 \(H_1\) 等于出口处气体的焓 \(H_2\)，即 \(H_1 = H_2\)。
   • 温度变化取决于气体的焦耳-汤姆逊系数 \(\mu_{\mathrm{JT}}\)，定义为：

\[ \mu_{\mathrm{JT}} = \left( \frac{\partial T}{\partial P} \right)_H \]

 它表示在等焓条件下，温度随压力的变化率。  

4. 效应的三种情况

   • 若 \(\mu_{\mathrm{JT}} > 0\)：温度随压力降低而下降，称为致冷效应（多数气体在常温下节流后降温）。
   • 若 \(\mu_{\mathrm{JT}} < 0\)：温度随压力降低而上升，称为制热效应。
   • 若 \(\mu_{\mathrm{JT}} = 0\)：温度不变，此时温度称为转换温度（inversion temperature）。

5. 物理机理
   效应的根源是气体分子间相互作用力与分子自身体积的竞争：

   • 在低压或较高温度下，气体接近理想气体，节流后温度几乎不变；
   • 实际气体分子间存在吸引力，膨胀时需克服吸引力做功，消耗分子动能，导致温度下降（致冷）；
   • 当气体分子自身体积影响显著时，膨胀后分子势能减少，动能增加，反而可能升温（制热）。

6. 转换温度曲线

   • 每种气体存在一条转换温度随压力变化的曲线，在曲线上 \(\mu_{\mathrm{JT}} = 0\)。
   • 例如氮气在常温（约300 K）下节流通常致冷，而氢气、氦气在常温下节流会升温，必须预冷到转换温度以下（如氢气低于202 K）才会致冷。

7. 实际应用

   • 气体液化：如林德循环利用焦耳-汤姆逊效应冷却并液化空气、氮气等；
   • 制冷技术：节流阀是制冷系统（如冰箱、空调）中常见的降温部件；
   • 石油化工：天然气输送中需控制节流温度防止水合物冻结。

8. 与理想气体的区别
   理想气体焓仅为温度的函数，故节流前后温度不变（\(\mu_{\mathrm{JT}} = 0\)）。实际气体的非理想性导致此效应，可通过范德瓦尔斯方程等状态方程定性解释。