节流膨胀定义

节流膨胀原理(焦耳-汤姆逊系数)

节流膨胀定义

节流膨胀（Throttling Expansion）

较高压力下的流体（气或液）经多孔塞（或节流阀）向较低压力方向绝热膨胀过程。

节流膨胀原理

高压气体经过小孔或阀门受一定阻碍后向低压膨胀的过程。

1852年，焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。多孔塞两边的压差维持恒定。膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2<T1)。如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。

至今节流膨胀仍是工业上液化气体的一个重要方法。例如林德(Linde)法。根据热力学原理，在焦耳-汤姆逊实验(Joule-Thomsen’s experiment)中系统对环境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分别为始态和终态的体积。Q=0，故ΔU=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。所以焦耳-汤姆孙实验(简称焦汤实验)的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程(isenthalpic process)。

鉴于1843年,焦耳的自由膨胀实验不够精确,1852年焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀饰演来观察实际气体在膨胀时所发生的温度变化。实验如下：在一个圆形绝热筒的中部,置有一个刚性的多孔塞,使气体通过多孔塞缓慢地进行节流膨胀,并且在多孔塞的两边能够维持一定的压力差,实验时,将压力和温度恒定为p1和t1的某种气体,连续地压过多孔塞,使气体在多孔塞右边的压力恒定为p2,且p1>p2.由于多孔塞的孔很小,气体只能缓慢地从左侧进入右侧,从p1到p2的压力差基本上全部发生在多孔塞内,由于多孔塞的节流作用,可保持左室p1部分和右室低压p2的部分压力恒定不变,即分别为p1与p2.这种维持一定压力差的绝热膨胀过程叫做节流膨胀。

焦耳-汤姆逊系数

不同气体在大气压下的焦耳-汤姆逊系数，如左图。

焦耳-汤姆逊（开尔文）系数可以理解为为在等焓变化的节流膨胀中（或是焦耳-汤姆逊作用下）温度随压力变化的速率。表达式如下：

V——表示气体体积；

Cp——表示该气体的等压热容；

α——表示该气体的热膨胀系数。

μJT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。

当μJ.T是正数是，则气体降温，反之则升温。大气压下焦耳汤姆逊效应中氦气和氢气通常为升温性质的气体，而大多数气体则是降温，对于理想气体焦耳汤姆逊系数为零，在焦耳汤姆逊效应中既不升温也不降温。

下面我们来推导这个表达式：

前提一：焦耳汤姆逊效应是一个绝热不可逆过程容易推导得出这是一个等焓过程，则dH=O。

前提二：由基础热力学关系式（将dS用dT和dP表示），则

推导：由于

所以上式可以写成：

再通过Maxwell关系变化式：

则可得到：

于是可得：

It is easy to verify that for an ideal gas the thermal expansion coefficient α is 1 / T, and so an ideal gas does not experience a Joule-Thomson effect. This is important: the cooling of a gas by pure isentropic expansion is not Joule-Thomson cooling, although it is sometimes erroneously called J-T cooling by some laboratory practitioners.