:Throttling-Prozess adressiert hier um. Für die Regulierung von Rechenmitteln, sieh drosselnden Prozess (rechnen).

In der Thermodynamik, der Wirkung des Joules-Thomson oder Wirkung des Joules-Kelvin oder Kelvin-Joule-Wirkung beschreibt die Temperaturänderung eines Benzins oder Flüssigkeit, wenn es durch eine Klappe oder porösen während behaltenen isolierten Stecker gezwungen wird, so dass keine Hitze mit der Umgebung ausgetauscht wird. Dieses Verfahren wird einen drosselnden Prozess oder Prozess des Joules-Thomson genannt. Bei der Raumtemperatur, dem ganzen Benzin außer Wasserstoff, Helium und Neon, das nach der Vergrößerung durch den Prozess des Joules-Thomson kühl ist.

Die Wirkung wird für James Prescott Joule und William Thomson, 1. Baron Kelvin genannt, der es 1852 im Anschluss an die frühere Arbeit von Joule auf der Vergrößerung von Joule entdeckt hat, in der ein Benzin freie Vergrößerung in einem Vakuum erlebt.

Beschreibung

Das adiabatische (keine Hitze ausgetauscht) Vergrößerung eines Benzins kann auf mehrere Weisen ausgeführt werden. Die Änderung in der Temperatur, die durch das Benzin während der Vergrößerung erfahren ist, hängt nicht nur vom anfänglichen und endgültigen Druck, sondern auch von der Weise ab, auf die die Vergrößerung ausgeführt wird.

• Wenn der Vergrößerungsprozess umkehrbar ist, bedeutend, dass das Benzin im thermodynamischen Gleichgewicht zu jeder Zeit ist, wird es eine isentropic Vergrößerung genannt. In diesem Drehbuch tut das Benzin positive Arbeit während der Vergrößerung und seiner Temperaturabnahmen.
• In einer freien Vergrößerung, andererseits, tut das Benzin keine Arbeit und absorbiert keine Hitze, so wird die innere Energie erhalten. Ausgebreitet auf diese Weise würde die Temperatur eines idealen Benzins unveränderlich bleiben, aber die Temperatur eines echten Benzins kann entweder zunehmen oder, abhängig von der Anfangstemperatur und dem Druck abnehmen.
• Die Methode der Vergrößerung hat in diesem Artikel besprochen, in dem ein Benzin oder Flüssigkeit am Druck P Flüsse in ein Gebiet des niedrigeren Drucks P über eine Klappe oder porösen Stecker unter unveränderlichen Zustandbedingungen und ohne Änderung in der kinetischen Energie, den Prozess des Joules-Thomson genannt wird. Während dieses Prozesses bleibt enthalpy unverändert (sieh einen Beweis unten).

Ein drosselnder Prozess geht entlang einer unveränderlichen-enthalpy Linie in der Richtung auf den abnehmenden Druck weiter, was bedeutet, dass der Prozess vom linken bis direkt auf einem T-P Diagramm vorkommt. Als wir entlang einer unveränderlichen-enthalpy Linie von weitergehen, hoch genug setzt die Temperaturzunahmen bis zur Inversionstemperatur unter Druck. Danach, weil die Flüssigkeit seine Vergrößerung, die Temperaturfälle fortsetzt. Wenn wir das für mehrere unveränderliche enthalpies tun und uns anschließen, spitzt die Inversion an, dass eine Linie gerufen hat, wird die Inversionslinie erhalten. Diese Linie schneidet die Taxis bei etwas Temperatur, genannt die maximale Inversionstemperatur durch.

Für Wasserstoff ist diese Temperatur-68 °. In der Kühlung der Dampf-Kompression müssen wir das Benzin erdrosseln und es zur gleichen Zeit abkühlen. Das wirft ein Problem für Substanzen auf, deren maximale Inversionstemperatur ganz unter der Raumtemperatur ist. So muss Wasserstoff unter seiner Inversionstemperatur abgekühlt werden, wenn ein Abkühlen durch das Drosseln erreicht wird.

Physischer Mechanismus

Als sich ein Benzin ausbreitet, wächst die durchschnittliche Entfernung zwischen Molekülen. Wegen zwischenmolekularer attraktiver Kräfte (sieh Kraft von Van der Waals), verursacht Vergrößerung eine Zunahme in der potenziellen Energie des Benzins. Wenn keine Außentätigkeit im Prozess herausgezogen wird und keine Hitze übertragen wird, bleibt die Gesamtenergie des Benzins dasselbe wegen der Bewahrung der Energie. Die Zunahme in der potenziellen Energie bezieht so eine Abnahme in der kinetischen Energie und deshalb in der Temperatur ein.

Ein zweiter Mechanismus hat die entgegengesetzte Wirkung. Während Gasmolekül-Kollisionen wird kinetische Energie in die potenzielle Energie provisorisch umgewandelt. Als die durchschnittliche zwischenmolekulare Entfernung zunimmt, gibt es einen Fall in der Zahl von Kollisionen pro Zeiteinheit, die eine Abnahme in der durchschnittlichen potenziellen Energie verursacht. Wieder wird Gesamtenergie erhalten, so führt das zu einer Zunahme in der kinetischen Energie (Temperatur). Unter der Inversionstemperatur des Joules-Thomson herrscht die ehemalige Wirkung (geleistete Arbeit innerlich gegen zwischenmolekulare attraktive Kräfte) vor, und freie Vergrößerung verursacht eine Abnahme in der Temperatur. Über der Inversionstemperatur bewegen sich Gasmoleküle schneller und kollidieren so öfter, und die letzte Wirkung (reduzierte Kollisionen, die eine Abnahme in der durchschnittlichen potenziellen Energie verursachen), herrscht vor: Vergrößerung des Joules-Thomson verursacht eine Temperaturzunahme.

Das Joule-Thomson (Kelvin) Koeffizient

Die Rate der Änderung der Temperatur in Bezug auf den Druck in einem Prozess des Joules-Thomson (d. h. an unveränderlichem enthalpy) ist das Joule-Thomson (Kelvin) Koeffizient. Dieser Koeffizient kann in Bezug auf das Volumen von Benzin, seine Hitzekapazität am unveränderlichen Druck und seinen Koeffizienten der Thermalvergrößerung als ausgedrückt werden:

:

Sieh die Abstammung des Joules-Thomson (Kelvin) Koeffizient unten für den Beweis dieser Beziehung. Der Wert dessen wird normalerweise in °C/bar ausgedrückt (SI-Einheiten: K/Pa), und hängt vom Typ von Benzin und auf der Temperatur und dem Druck des Benzins vor der Vergrößerung ab. Seine Druck-Abhängigkeit ist gewöhnlich nur einiges Prozent für den Druck bis zu 100 Bar.

Das ganze echte Benzin hat einen Inversionspunkt, an dem der Wert von Änderungen unterzeichnen. Die Temperatur dieses Punkts, die Inversionstemperatur des Joules-Thomson, hängt vom Druck des Benzins vor der Vergrößerung ab.

In einer Gasvergrößerung die Druck-Abnahmen, so ist das Zeichen dessen definitionsgemäß negativ. Damit im Sinn erklärt der folgende Tisch, wenn die Wirkung des Joules-Thomson abkühlt oder ein echtes Benzin wärmt:

Helium und Wasserstoff sind zwei Benzin, dessen Inversionstemperaturen des Joules-Thomson an einem Druck einer Atmosphäre (z.B, ungefähr 51 K (222 °C) für Helium) sehr niedrig sind. So erwärmen sich Helium und Wasserstoff, wenn ausgebreitet, an unveränderlichem enthalpy bei typischen Raumtemperaturen. Andererseits haben Stickstoff und Sauerstoff, das zwei reichlichste Benzin in Luft, Inversionstemperaturen von 621 K (348 °C) und 764 K (491 °C) beziehungsweise: Dieses Benzin kann von der Raumtemperatur durch die Wirkung des Joules-Thomson abgekühlt werden.

Für ein ideales Benzin, ist immer der Null gleich: Ideales Benzin, das weder warm noch auf den ausbreite an unveränderlichem enthalpy kühl ist.

Anwendungen

In der Praxis wird die Wirkung des Joules-Thomson erreicht, indem sie dem Benzin erlaubt wird, sich durch ein drosselndes Gerät auszubreiten (gewöhnlich eine Klappe), der sehr gut isoliert werden muss, um jede Wärmeübertragung zu oder vom Benzin zu verhindern. Keine Außentätigkeit wird aus dem Benzin während der Vergrößerung herausgezogen (das Benzin muss durch eine Turbine, zum Beispiel nicht ausgebreitet werden).

Die Wirkung wird in der Technik von Linde als ein Standardprozess in der petrochemischen Industrie angewandt, wo die kühl werdende Wirkung verwendet wird, um Benzin, und auch in vielen kälteerzeugenden Anwendungen (z.B für die Produktion von flüssigem Sauerstoff, Stickstoff und Argon) zu verflüssigen. Nur wenn der Koeffizient des Joules-Thomson für das gegebene Benzin bei der gegebenen Temperatur größer ist, als Null das Benzin kann, bei dieser Temperatur durch den Zyklus von Linde verflüssigt werden. Mit anderen Worten muss ein Benzin unter seiner durch den Zyklus von Linde zu verflüssigenden Inversionstemperatur sein. Deshalb kann einfacher Zyklus von Linde liquefiers nicht normalerweise verwendet werden, um Helium, Wasserstoff oder Neon zu verflüssigen.

Beweis, dass enthalpy unveränderlich in einem Prozess des Joules-Thomson bleibt

In einem Prozess des Joules-Thomson bleibt der enthalpy unveränderlich. Um das zu beweisen, ist der erste Schritt, die geleistete Nettoarbeit durch das Benzin zu schätzen, das sich durch den Stecker bewegt. Nehmen Sie an, dass das Benzin ein Volumen V im Gebiet am Druck P (Gebiet 1) und ein Volumen V hat, wenn es im Gebiet am Druck P (Gebiet 2) erscheint. Dann ist die geleistete Arbeit auf dem Benzin durch den Rest des Benzins im Gebiet 1 PV. Im Gebiet 2 ist der Betrag der geleisteten Arbeit durch das Benzin PV. Also, die ganze geleistete Arbeit durch das Benzin ist

Die Änderung in der inneren Energie plus die geleistete Arbeit durch das Benzin, ist nach dem ersten Gesetz der Thermodynamik, der Summe der vom Benzin gefesselten Hitze (hier es wird angenommen, dass es keine Änderung in der kinetischen Energie gibt). Im Prozess des Joules-Thomson wird das Benzin isoliert behalten, so wird keine Hitze absorbiert. Das bedeutet das

wo und die innere Energie des Benzins in Gebieten 1 und 2, beziehungsweise anzeigen.

Mit der Definition von enthalpy deutet die obengenannte Gleichung dann dass an:

wo und den enthalpy des Benzins in Gebieten 1 und 2, beziehungsweise anzeigen.

Abstammung des Joules-Thomson (Kelvin) Koeffizient

Eine Abstammung der Formel

für das Joule-Thomson (Kelvin) Koeffizient.

Die partielle Ableitung von T in Bezug auf P an unveränderlichem H kann durch das Ausdrücken des Differenzials des enthalpy dH in Bezug auf dT und dP, und die Gleichstellung des resultierenden Ausdrucks zur Null und das Lösen für das Verhältnis von dT und dP geschätzt werden.

Es folgt aus der grundsätzlichen thermodynamischen Beziehung, durch die das Differenzial des enthalpy gegeben wird:

: (hier, ist das Wärmegewicht des Benzins).

Das Ausdrücken dS in Bezug auf dT und dP gibt:

Das Verwenden

: (sieh Spezifische Hitzekapazität), wir können schreiben:

Die restliche partielle Ableitung von S kann in Bezug auf den Koeffizienten der Thermalvergrößerung über eine Beziehung von Maxwell wie folgt ausgedrückt werden. Von der grundsätzlichen thermodynamischen Beziehung, hieraus folgt dass durch das Differenzial der Energie von Gibbs gegeben wird:

Die Symmetrie von partiellen Ableitungen von G in Bezug auf T und P deutet dass an:

wo der Koeffizient der Thermalvergrößerung ist. Mit dieser Beziehung kann das Differenzial von H als ausgedrückt werden

Die Gleichstellung dH zur Null und das Lösen für dT/dP geben dann:

Es ist leicht nachzuprüfen, dass für ein ideales Benzin der Thermalausdehnungskoeffizient ist, und so erfährt ein ideales Benzin keine Wirkung des Joules-Thomson. Das Abkühlen eines Benzins durch die reine isentropic Vergrößerung (ein umkehrbarer adiabatischer Prozess, wo die geleistete Arbeit durch die Gasvergrößerung es veranlasst kühl zu werden) ist nicht das Abkühlen des Joules-Thomson, obwohl es manchmal das J-T-Abkühlen von einigen Laborpraktikern falsch genannt wird.

Siehe auch

• Kritische Temperatur
• Ideales Benzin
• Enthalpy und Isenthalpic
• Kühlung
• Reversibler Prozess (Thermodynamik)

Bibliografie

Außenverbindungen