Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.14.38: Коефіцієнт Джоуля-Томсона

  • Page ID
    28312
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Важливою властивістю даного газу є його коефіцієнт Джоуля-Томсона [1-3]. Ці коефіцієнти важливі з двох позицій;

    1. міжмолекулярної взаємодії, і
    2. розрідження газів.

    Дана замкнута система містить один моль газоподібної хімічної речовини\(\mathrm{j}\) при температурі\(\mathrm{T}\) і тиску\(\mathrm{p}\). Молярна ентальпія газу\(\mathrm{H}_{\mathrm{j}}\) описує його молярну ентальпію, визначену рівнянням (а).

    \[\mathrm{H}_{\mathrm{j}}=\mathrm{H}_{\mathrm{j}}[\mathrm{T}, \mathrm{p}]\]

    Потім,

    \[\mathrm{dH}_{\mathrm{j}}=\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}} \, \mathrm{dT}+\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{p}}\right)_{\mathrm{T}} \, \mathrm{dp}\]

    Звідси при постійній ентальпії\(\mathrm{H}\),

    \[\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}} \, \mathrm{dT}=-\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{p}}\right)_{\mathrm{T}} \, \mathrm{dp}\]

    Або,

    \[\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_{H}=-\left(\frac{\partial H_{\mathrm{j}}}{\partial p}\right)_{T} \,\left(\frac{\partial T}{\partial H_{j}}\right)_{p}\]

    Коефіцієнт Джоуля-Томсона для газу\(\mathrm{j}\),\(\mu_[\mathrm{j}}\) визначається рівнянням (е).

    \[\mu_{\mathrm{j}}=\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_{\mathrm{H}(\mathrm{j})}\]

    Для всіх газів (крім гелію і водню) при\(298 \mathrm{~K}\) і помірному тиску\(\mu_{\mathrm{j} > 0\). При кімнатній температурі і тиску навколишнього середовища,\(\mu_{\mathrm{j}}\) це\(0.002 \mathrm{~K Pa}^{-1}\) для азоту і\(0.025 \mathrm{~K Pa}^{-1}\) для 2,2-диметилпропану [3].

    Далі ізобарна теплоємність для хімічної речовини\(\mathrm{j}\) визначається рівнянням (f).

    \[\mathrm{C}_{\mathrm{pj}}=\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}\]

    Звідси з рівнянь (d), (e) і (f),

    \[\mu_{\mathrm{j}}=-\frac{(\partial \mathrm{H} / \partial \mathrm{p})_{\mathrm{T}}}{\mathrm{C}_{\mathrm{pj}}}\]

    Потім,

    \[\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{p}}\right)_{\mathrm{T}}=-\mu_{\mathrm{j}} \, \mathrm{C}_{\mathrm{pj}}\]

    Рівняння (h) позначає важливий етап аналізу. Наприклад,\(\mathrm{C}_{\mathrm{pj}} > 0\). З визначення ентальпії\(\mathrm{H}_{\mathrm{j}}\),

    \[\mathrm{U}_{\mathrm{j}}=\mathrm{H}_{\mathrm{j}}-\mathrm{p} \, \mathrm{V}_{\mathrm{j}}\]

    Рівняння (i) диференційовано по відношенню до\(\mathrm{V}_{\mathrm{j}} at fixed \(\mathrm{T}\). Таким чином,

    \[

    \ [\ ліворуч (\ frac {\ partial\ mathrm {U} _ {\ mathrm {j}}}} {\ partial\ mathrm {J}}}\ праворуч) _ {\ mathrm {T}} =\ лівий (\ частковий\ матрм {H}} _ {\ mathrm {n}}} {\ частковий\ матрм {J}}} {\ частковий\ математика {V} _ {\ mathrm {j}}}\ праворуч) _ {\ mathrm {T}} -\ математика {V} _ {\ mathrm {j}}\ лівий (\ frac {\ partial\ mathrm {p}}} {\ часткова\ математика {V} _ {\ mathrm {j}}}\ правий) _ {\ математика {T}} -\ матрм {p}\]

    Або,

    \[\left(\frac{\partial U_{j}}{\partial V_{j}}\right)_{T}=\left(\frac{\partial p}{\partial V_{j}}\right)_{T} \,\left[\left(\frac{\partial H_{j}}{\partial V_{j}}\right)_{T} \,\left(\frac{\partial V_{j}}{\partial p}\right)_{T}-V_{j}\right]-p\]

    Потім,

    \[\left(\frac{\partial \mathrm{U}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{V}_{\mathrm{j}}}\right)_{\mathrm{T}}=\left(\frac{\partial \mathrm{p}}{\partial \mathrm{V}_{\mathrm{j}}}\right)_{T} \,\left[\left(\frac{\partial \mathrm{H}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{p}}\right)_{\mathrm{T}}-\mathrm{V}_{\mathrm{j}}\right]-\mathrm{p}\]

    Використовуючи рівняння (h),

    \[\left(\frac{\partial U_{j}}{\partial V_{j}}\right)_{T}=-\left(\frac{\partial p}{\partial V_{j}}\right)_{T} \,\left[\mu_{j} \, C_{p j}+V_{j}\right]-p\]

    Важливе застосування рівняння (m) стосується випадку, коли хімічна речовина\(\mathrm{j}\) є ідеальним газом. У цьому випадку

    \[\mathrm{p} \, \mathrm{V}_{\mathrm{j}}=\mathrm{R} \, \mathrm{T}\]

    Або,

    \[\mathrm{p}=\mathrm{R} \, \mathrm{T} \, \frac{1}{\mathrm{~V}_{\mathrm{j}}}\]

    Отже,

    \[\left(\frac{\partial p}{\partial V_{j}}\right)_{T}=-R \, T \, \frac{1}{V_{j}^{2}}=-\frac{p}{V_{j}}\]

    Потім з рівняння (m),

    \[\left(\frac{\partial U_{j}}{\partial V_{j}}\right)_{T}=\frac{p}{V_{j}} \,\left[\mu_{j} \, C_{p j}+V_{j}\right]-p\]

    Або,

    \[\left(\frac{\partial U_{j}}{\partial V_{j}}\right)_{T}=\frac{p \, \mu_{j} \, C_{p j}}{V_{j}}\]

    Але

    \[\operatorname{limit}(\mathrm{p} \rightarrow 0) \frac{\mathrm{p} \, \mu_{\mathrm{j}} \, \mathrm{C}_{\mathrm{pj}}}{\mathrm{V}_{\mathrm{j}}}=0\]

    Тоді

    \[\operatorname{limit}(\mathrm{p} \rightarrow 0)\left(\frac{\partial \mathrm{U}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{V}_{\mathrm{j}}}\right)_{\mathrm{T}}=0\]

    Визначення ідеального газу -\(\left(\frac{\partial \mathrm{U}_{\mathrm{j}}}{\partial \mathrm{V}_{\mathrm{j}}}\right)_{\mathrm{T}}\) це нуль. Тоді всі справжні гази ідеальні в\(\operatorname{limit}(\mathrm{p} \rightarrow 0)\).

    Виноски

    [1] Джеймс Прескотт Джоуль (12818-1889) Вільям Томсон (1824-1907); Пізніше лорд Кельвін Деякі автори посилаються на коефіцієнт Джоуля-Томсона; наприклад, Е.Б. Сміт, Основна хімічна термодинаміка, Кларендон Прес, Оксфорд, 1982, 3rd. edn., сторінка 119. Інші автори посилаються на ефект Джоуля - Кельвіна; наприклад, Е.Ф. Калдін, Хімічна термодинаміка, Кларендон Прес, Оксфорд, 1958, сторінка 81. Інші автори посилаються на ефект Джоуля-Томсона або Джоуля-Кельвіна; наприклад, М. Еверделл, Вступ до хімічної термодинаміки, English Universities Press, Лондон 1965, сторінка 57.

    [2] Макглашан М.Л., Хімічна термодинаміка, Академічна преса, Лондон 1979, сторінка 94.

    [3] Бенджамін Томпсон (1753-1814); пізніше граф фон Рамфорд одружився на вдові Лавуазьє.