Džul-Tomsonov efekat

Prva Džoul-Tomsonova eksperimentalna postavka.

Joule–Thomson eksperiment

Predznak the Joule–Thomson koeficijenta, za N₂

William Thomson, 1st Baron Kelvin

James Prescott Joule

Carl von Linde 1868.

Jednostavan Lindeov ciklus koji se koristi kao (a) frižider ili (b) kao likvifikajer sa (c) dijagramom temperature i entropije za oba procesa

Von Lindeov originalni crtež njegovog procesa likvifikacije vazduha

Džul-Tomsonov efekat

U termodinamici, Džul-Tomsonov efekat (takođe poznat kao Džul-Kelvinov efekat ili Kelvin-Džulov efekat) opisuje temperaturnu promenu stvarnog gasa ili tečnosti (za razliku od idealnog gasa) kada se propusti kroz ventil ili porozni čep držeći ga izolovanim tako da se toplota ne razmenjuje sa okolinom. Ovaj postupak se naziva proces prigušivanja ili Joule-Thomsonov proces. Na sobnoj temperaturi, svi gasovi osim vodonika, helijuma i neona se hlade nakon širenja Joule–Thomsonovim procesom kada se prigušuju kroz otvor; ova tri gasa doživljavaju isti efekat ali samo na nižim temperaturama. Većina tečnosti kao što su hidraulična ulja biće zagrejana Joule-Thomsonovim procesom prigušivanja.

Rana postavka Joule-Thomsonovog eksperimenta je kao što je prikazano na slici. Uključuje gasnu bocu visokog pritiska (na početku je korišćen vazduh) sa regulatorom pritiska; „kupka” napunjena hladnom vodom za prethodno hlađenje ulaznog gasa; Džoul-Tomsonova komora podeljena poroznim čepom, uključujući dva (2) termometra termopara smeštena sa obe strane poroznog čepa, a korišćeni su za merenje temperature gasa pre i posle ekspanzije; i manometar za merenje pritiska gasa pre ekspanzije.

Eksperiment se sastoji u tome da gas iz jedne toplotno izolovane posude (A), gde je pod povišenim pritiskom P1, prolazi kroz porozni čep u drugu posudu (B), gde je gas pod znatno nižim pritiskom P2. Specijalne pumpe održavaju konstantne pritiske P1 i P2. Termometri su postavljeni u gas sa obe strane poroznog čepa. (slika)

Eksperiment pokazuje da kada gas prođe kroz porozni čep, uz naglo smanjenje pritiska, odnosno uz naglo širenje, on se hladi, zagreva ili ostaje nepromijenjen, zavisno o temperaturi na kojoj se eksperiment izvodi.

Proces hlađenja gasom kroz prigušivanje se obično koristi u procesima hlađenja, kao što su likvifikajeri, u industrijskim procesima odvajanja vazduha. U hidraulici, efekat zagrevanja od Joule-Thomsonovog prigušivanja može se koristiti za pronalaženje ventila koji iznutra propuštaju jer će oni proizvoditi toplotu koja se može detektovati termoelementom ili kamerom za termičko slikanje. Prigušivanje je suštinski nepovratan proces. Gušenje zbog otpora protoka u dovodnim vodovima, izmenjivačima toplote, regeneratorima i drugim komponentama (termičkih) mašina je izvor gubitaka koji ograničava njihov rad.

Efekat je nazvan po Džejmsu Preskotu Džoulu i Vilijamu Tomsonu, 1. baronu Kelvinu, koji su ga otkrili 1852. Usledio je raniji rad Džoula o Džulovom širenju, u kome se gas podvrgava slobodnom širenju u vakuumu i temperatura je nepromenjena, ako gas je idealan.

Adijabatsko (bez razmene toplote) širenje gasa može se izvesti na više načina. Promena temperature koju doživljava gas tokom ekspanzije zavisi ne samo od početnog i konačnog pritiska, već i od načina na koji se ekspanzija vrši.

- Ako je proces ekspanzije reverzibilan, što znači da je gas u termodinamičkoj ravnoteži sve vreme, naziva se izentropska ekspanzija. U ovom scenariju, gas radi pozitivan rad tokom ekspanzije, a njegova temperatura se smanjuje.

- U slobodnoj ekspanziji, s druge strane, gas ne radi i ne apsorbuje toplotu, tako da se unutrašnja energija čuva. Prošireno na ovaj način, temperatura idealnog gasa bi ostala konstantna, ali temperatura pravog gasa opada, osim na veoma visokim temperaturama.

- Metoda ekspanzije o kojoj se govori u ovom postu, u kojoj gas ili tečnost pod pritiskom P1 teče u oblast nižeg pritiska P2 bez značajne promene kinetičke energije, naziva se Džul-Tomsonova ekspanzija. Ekspanzija je sama po sebi nepovratna. Tokom ove ekspanzije, entalpija ostaje nepromenjena. Za razliku od slobodnog širenja, rad se obavlja, izazivajući promenu unutrašnje energije. Da li se unutrašnja energija povećava ili smanjuje zavisi od toga da li se rad vrši na fluidu ili na njemu; to je određeno početnim i konačnim stanjem ekspanzije i svojstvima tečnosti.

Potencijalna energija u stvarnim gasovima potiče od interakcije između molekula gasa, bilo privlačnih ili odbojnih sila. Molekuli gasa se takođe kreću kinetičkom energijom, koja se meri „temperaturom“. Temperatura gasa opada (raste) kada se njegova kinetička energija smanji (povećava).

Džoul-Tomsonov efekat u stvarnom gasu potiče od „borbe“ između potencijalne i kinetičke energije unutar gasa. Da li se gas hladi ili zagreva tokom Džul-Tomsonovog procesa zavisi od toga kako se energija prenosi između potencijalne i kinetičke energije molekula gasa.

Generalno, pri niskim temperaturama i/ili maloj gustini (tj. niskom pritisku) preovlađuje privlačna sila, odnosno međumolekularna privlačnost je najvažnija interakcija. Kada se hladni gas adijabatski širi, potrebna je energija da bi se molekuli povukli dalje jedan od drugog i povećala prosečna udaljenost između molekula. Jedini izvor energije je kinetička energija samog gasa pošto je proces adijabatski. Kada se kinetička energija smanji, gas se hladi.

S druge strane, dominantna interakcija između molekularnog gasa je sila odbijanja na dovoljno visokim temperaturama i/ili visokoj gustini (tj. visokom pritisku). Energija se oslobađa iz potencijalne energije između molekula gasa i samo će se pretvoriti u i povećati kinetičku energiju samog gasa tokom adijabatskog širenja. Gas se zagreva jer je ovo adijabatski proces.

Ukupna situacija je komplikovana. Znak promene temperature (ΔT) tokom Joule–Tomsonove ekspanzije zavisi od početnih T i P svakog različitog gasa.

Promena temperature nastala tokom Joule-Thomsonove ekspanzije je kvantifikovana Joule-Thomsonovim koeficijentom. Ovaj koeficijent može biti ili pozitivan koji odgovaraju (hlađenju) ili negativni (zagrevanje). Svi realni gasovi imaju tačku inverzije u kojoj vrednost Džoul-Tomsonovog koeficijenta menja predznak. Temperatura ove tačke, Džul-Tomsonova inverziona temperatura, zavisi od pritiska gasa pre ekspanzije.

Helijum i vodonik su dva gasa čije su temperature Joule–Tomsonove inverzije pri pritisku od jedne atmosfere veoma niske (npr. oko 45 K, -228 °C za helijum). Dakle, helijum i vodonik se zagrevaju kada se ekspandiraju pri konstantnoj entalpiji na tipičnim sobnim temperaturama. S druge strane, azot i kiseonik, dva najzastupljenija gasa u vazduhu, imaju temperature inverzije od 621 K (348 °C) i 764 K (491 °C) respektivno: ovi gasovi se mogu ohladiti sa sobne temperature pomoću Džul-Tomsonovog efekta.

Za idealan gas, Džoul-Tomsonov koeficijent je uvek jednak nuli: idealni gasovi se ne zagrevaju, ni ne hlade kada se šire pri konstantnoj entalpiji.

Na dijagramu, znak Džoul-Tomsonovog koeficijenta, za N2. Unutar oblasti ograničene crvenom linijom, Joule-Thomsonova ekspanzija proizvodi hlađenje (); van tog regiona, ekspanzija proizvodi grejanje. Kriva koegzistencije gas-tečnost je prikazana plavom linijom koja se završava u kritičnoj tački (puni plavi krug). Isprekidane linije označavaju oblast u kojoj je N2 superkritični fluid (gde svojstva glatko prelaze između tečnosti i gasa).

U praksi, Džul-Tomsonov efekat se postiže tako što se gasu dozvoljava da se širi kroz uređaj za prigušivanje (obično ventil) koji mora biti veoma dobro izolovan da bi se sprečio bilo kakav prenos toplote na ili sa gasa. Iz gasa se tokom ekspanzije ne izvlači spoljni rad (gas se ne sme širiti kroz turbinu, na primer).

Hlađenje proizvedeno u Joule-Thomson ekspanziji čini ga vrednim alatom u hlađenju. Efekat se primenjuje u Linde tehnici kao standardni proces u petrohemijskoj industriji, gde se efekat hlađenja koristi za prečišćavanje gasova, a takođe i u mnogim kriogenim primenama (npr. za proizvodnju tečnog kiseonika, azota i argona). Gas mora biti ispod temperature inverzije da bi bio utečen u Linde ciklusu. Iz tog razloga, jednostavni Linde ciklusni likvifikajeri, počevši od temperature okoline, ne mogu se koristiti za likvifikaciju helijuma, vodonika ili neona. Međutim, Joule-Thomsonov efekat se može koristiti za likvifikaciju čak i helijuma, pod uslovom da se helijumski gas prvo ohladi ispod njegove temperature inverzije od 40 K.

Jednostavan Linde ili Joule-Thomsonov ciklus ekspanzije

Karl Pol Gotfrid fon Linde (11. jun 1842 — 16. novembar 1934) je bio nemački naučnik, inženjer i biznismen. Otkrio je rashladni ciklus i izumeo prve industrijske procese odvajanja vazduha i likvifikacije gasa, koji su doveli do prvog pouzdanog i efikasnog frižidera sa komprimovanim amonijakom 1876. Ova otkrića su postavila okosnicu za Nobelovu nagradu za fiziku 1913. koja je dodeljena Heike Kamerlingh Onnes. Linde je bio član naučnih i inženjerskih udruženja, uključujući i član upravnog odbora Phisikalisch-Technische Reichsanstalt i Bavarske akademije nauka i humanističkih nauka. Linde je takođe bio osnivač onoga što je sada poznato kao Linde plc, ali ranije poznato (različito) kao Linde divizija Union Carbide, Linde, Linde Air Products, Prakair i drugih. Linde je najveći svetski proizvođač industrijskih gasova i započeo je stvaranje globalnog lanca snabdevanja industrijskim gasovima. Proglašen je vitezom 1897. kao Riter fon Linde.

Jedan termodinamički proces za dobijanje kriogenih temperatura, poznat kao jednostavan Linde ili Joule-Thomsonov (JT) ciklus ekspanzije, je šematski prikazan na slici. U idealnom procesu, gasoviti rashladni fluid se izotermno kompresuje na temperaturi okoline, odbacujući toplotu u rashladno sredstvo. Komprimovani rashladni fluid se hladi pre nego što stigne do prigušnog ventila u izmenjivaču toplote strujom koja se vraća u dovod kompresora. Joule-Thomsonovo hlađenje nakon ekspanzije dodatno smanjuje temperaturu sve dok se, u stabilnom stanju, deo rashladnog sredstva pod odgovarajućim uslovima ne likvifikuje. Za frižider, netečna frakcija i para nastala isparavanjem tečnosti od apsorbovane toplote, Q, se zagrevaju u izmenjivaču toplote dok se vraćaju u dovod kompresora. Slika prikazuje proces i za jednostavne Linde tečne tečne i za frižidere na temperaturno-entropijskom dijagramu. Jednostavan Linde ciklus se takođe može koristiti kao likvifikajer tečnosti za fluide koje imaju temperaturu inverzije koja je iznad temperature okoline.