Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля-Томсона.
Опытами Джоуля-Томсона было установлено, что в процессе дросселирования при изменении давления газа на бесконечно малую величину dp происходит бесконечно малое изменение температуры
dTh = ah dp, (16.3)
Величина ah равная производной (dT/dp)h, называется дифференциальным дроссельным эффектом или эффектом Джоуля-Томсона. Она характеризует скорость изменения температуры газа при изменения давления в результате адиабатного дросселирования.
Значение ah можно определить из уравнения
dh = cp dT – [T (dυ/dT)p – υ] dp,
которая для процесса дросселирования (dh =0) имеет вид
(dT/dp)h = 1 / Cp [T (dυ/dT)p – υ] = ah , (16.4)
Из уравнения (16.4) видно, что для определения значения дифференциального дроссельного эффекта ah необходимо знать теплоемкость cp и уравнение состояния вещества, из которого можно найти частную производную (dυ/dT)p.
Уравнение (16.4) справедливо для любых веществ. Проанализируем это уравнение. Так как теплоемкость всегда больше нуля (cp>0), а при дросселировании давление уменьшается (dp<0), то алгебраический знак дифференциального дроссельного эффекта, а значит, и dT будут определяться знаком величины T (dυ/dT)p – υ.
При этом возможны три случая:
T (dυ/dT)p – υ > 0; T (dυ/dT)p – υ < 0; T (dυ/dT)p – υ = 0, (16.5)
В случае, когда T (dυ/dT)p – υ = 0, ah = 0, dT = 0 и дроссельный эффект не наблюдается. Нетрудно показать, что последнее имеет место для идеальных газов, подчиняющихся уравнению состояния pυ = RT.
Для идеального газа
(dυ/dT)p = υ / T, (16.6)
Подставляя выражение (16.6) в уравнение (16.4), получим
(dT/dp)h = 0,
то есть идеальный газ дросселируется без изменения температуры.
Как уже отмечалось, для реальных газов дроссельный эффект не равен нулю и может быть либо положительным, либо отрицательным.
Если (dυ/dT)p < υ / T, то ah < 0, т.е. дроссельный эффект является отрицательным. В этом случае dT > 0, т.е. в процессе дросселирования температура вещества возрастает.
Если же (dυ/dT)p > υ / T, то ah > 0 (дроссельный эффект положителен). При этом dT < 0, т.е. температура дросселируемого вещества будет уменьшаться.
Экспериментально установлено, что для одного и того же вещества знак ah может быть различным в разных областях состояния.