Hiệu ứng Joule-Thomson 73

Hiệu ứng Joule-Thomson là hiện tượng đặc thù của khí thực, nó chứng tỏ thế năng tương tác phân tử phụ thuộc thể tích khối khí.

Xét một khối khí cô lập, do không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài nên nội năng nó không đổi, tức :

∆U = 0

∆U =

2

i R.∆T + ∆W

= 0

Đối với khí lý tưởng

∆W

= 0

∆T = 0

∆W

≠ 0

∆T ≠ 0.

Hiện tượng nhiệt độ khối khí thay đổi khi thể tích của nó thay đổi trong điều kiện nó không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài gọi là hiệu ứng Joule-Thomson.

Hiệu ứng được Joule -Thomson phát hiện bằng thí nghiệm sau : Hai bình A và B đựng khí; khí từ bình A có thể thấm sang bình B qua một màng ngăn xốp có lỗ rất nhỏ. Nhờ một bơm hút khí giữ cho áp suất bình B luôn nhỏ hơn áp suất bình A. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, đa số các chất khí đều lạnh đi, nhưng đối với H và He lại nóng lên.

Nếu khi dãn đoạn nhiệt mà

∆T > 0

Hiệu ứng Joule - Thomson dương hay âm là do vai trò của các số hiệu chỉnh a và b quyết định :

+ Khi vai trò của b là lớn, a không đáng kể : Khi đó lực đẩy giữa các phân tử đóng vai trò chủ yếu và thế năng tương tác phân tử giảm khi khoảng cách giữa các phân tử tăng. Khi dãn khí phần thế năng giảm này chuyển thành động năng chuyển động nhiệt, kết quả làm nhiệt độ của khối khí tăng lên.

A B

H.5

+ Khi vai trò của a là lớn, b không đáng kể : Khi đó kích thước của các phân tử có thể bỏ qua, khoảng cách trung bình giữa các phân tử lớn, thế năng tương tác phân tử qui định chủ yếu bởi lực hút, khi dãn khí thế năng này tăng lên, động năng chuyển động nhiệt giảm. Kết quả nhiệt độ khối khí giảm.

Đối với mỗi loại khí, vai trò của các số hạng a,b phụ thuộc áp suất và nhiệt độ. Ở nhiệt độ T và áp suất p nào đó, vai trò của hai số hạng a và

b là tương đương nhau, ∆T = 0. Trạng thái ứng với ∆T = 0 (không có hiệu

ứng) gọi là điểm đảo. Tập hợp các điểm đảo tạo thành đường cong đảo (H.6). Các trạng thái ứng với các điểm ở dưới đướng cong đảo cho hiệu ứng Joule – Thomson dương, ở phía trên cho hiệu ứng Joule – Thomson âm.