节流过程的焦耳—汤姆逊效应及其应用毕业论文

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1、2012届学士学位毕业论文节流过程的焦耳—汤姆逊效应及其应用学号：姓名：指导教师：专业：物理学系别：电子信息与物理系完成时间：2012年5月11节流过程的焦耳--汤姆逊效应及其应用摘要：低温技术在现代科学技术中有重要的应用。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法获得低温。关键词：节流;低温;焦耳—汤姆逊效应;制冷循环如图1所示，管子用不导热的材料包着，管子中间有一个多孔塞或节流阀，多孔塞两边各维持着较高的压强较低的压强，于是，气体从高压的一边经多孔塞不断的流到低压的一边，并达到定常，这个过程就叫做节流过程。测量气体在多孔塞两边的温度表明，

2、在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦耳—汤姆逊效应。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来获取低温液化气体。焦汤效应的典型大小是，为了使气体的温度降至临界温度以下而液化，可以令节流过程重复进行，并通过逆流热交换器使经节流膨胀降温后的气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。11图1　1绝热节流过程节流是高压流体气体、液体或气液混合物)在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。节流膨胀过程由于没有外功输出，而且工程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换

3、量可忽略，近似作为绝热过程来处理。根据稳定流动能量方程:(2.1)得出绝热节流前后流体的焓值不变，由于节流时流体内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大。绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。对于任何处于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的。这是由于在两相区饱和温度和饱和压力是一一对应的，饱和温度随压力的降低而降低。对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流后焓值不变，温度也不变。对于实际气体，焓是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温度降低、升高和不变3种情况都可能出现。这一温度变化现象称

4、为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效，焦汤效应。112实际气体的节流效应实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应，也称为焦耳-汤姆逊系数,表示在焓不变的条件下气体温度随压强的变化率:　　(2.2)>0表示节流后温度降低，<0表示节流后温度升高。当压降(P2-P1)为一有限数值时，整个节流过程产生的温度变化叫做积分节流效应：　(2.3)理论上，可以使用热力学基本关系式推算出的表达式进行分析。有焓的特性可知：　(2.4)由于焓值不变，=0，将上式移项整理可得：　　(2.5)由式(2.3)(2.4)可知，微分节流效应的正负取决于和v的差值。

5、若这一差值大于0，则>0节流时温度降低;若等于0则=0，节流时温度不变;若小于0则<0，节流时温度升高。11　　从物理实质出发，可以用气体节流过程中的能量转化关系来解释着三种情况的出现，由于节流前后气体的焓值不变，所以节流前后内能的变化等于进出推动功的差值：　　　　气体的内能包括内动能和内势能两部分，而气体温度是降低、升高、还是不变，仅取决于气体内动能是减小、增大、还是不变。因气体节流后压力总是降低，比容增大，其内位能总是增大的。由于实际气体与玻义耳定律存在偏差，在某个温度下节流后，值的变化可能有以下3种情况:　　①时即节流后内能减小。由于内位能总是

6、增大的，所以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低。　　②时即节流后内能不变。此时，内位能的增加等于内动能的减少，节流后气体温度仍然降低。　　③时即节流后内能增大。此时，若内动能的增加小于内势能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低;若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升。　　由以上分析可知，在一定压力下，气体具有某一温度时，节流后满足且PV值的减少量恰好补足了内位能的增量，这时节流前后温度不变，即微分节流效应等于0，这个温度称为转化温度，以表示。　　转化温度的计算和变化关系可根据式(2.5)，令=0得到。下面利用范得瓦尔方程予

7、以分析。将范德瓦尔方程:11在等压下对Ti求导得出后代入式(2.5)得：(2.6)当=0时，气体温度即为转化温度。与范德瓦尔方程联立求解得：(2.7)式(2.7)表示的转化温度和压力的函数关系在坤图上为一连续曲线，称为转化曲线。如图2所示，黄线是按式(2.7)计算得到，红线是通过实验得到。二者的差别是由范德瓦尔方程在定量上的不准确引起的。图211转化曲线存在一个最大转化压力。当时，不存在转化温度;当时，只有一个转化温度;当，节流后产生冷效应。从式(2.7)和图2.11中还可以得出对应气体的最大转化温度。表2.5列出了多种气体的最大转化温度。对于大多数

8、气体，如，，，CO，空气等，最大转化温度都高于环境温度，故在环境温度下可以利用焦耳-汤姆逊效应来降温。而Ne