利用焦湯效應液化氣體法獲得低溫_2

1、利用焦湯效應液化氣體法獲得低溫論文導讀：制冷技術是研究獲得低溫的方式及其機理和應用的科學技術。林德循環(huán)，利用焦湯效應液化氣體法獲得低溫。關鍵詞：低溫，焦湯系數(shù)，林德循環(huán)1概述制冷技術是研究獲得低溫的方式及其機理和應用的科學技術，從廣義上講，凡是低于環(huán)境溫度的都稱為低溫。低溫技術不僅與人們當代高質量生活息息相關，同時與世界上許多尖端科學研究(諸如超導電技術、航天與航空技術、高能物理、受控熱核聚變、遠紅外探測、精密電磁計量、生物學和生命科學等)密不可分?？萍颊撐?，林德循環(huán)。在超低溫條件下，物質的特性會出現(xiàn)奇妙的變化：空氣變成了液體或固體；生物細胞或組織可以長期貯存而不死亡；導體發(fā)生超導電現(xiàn)象和完全

2、抗磁現(xiàn)象，其電阻消失了，而磁力線不能穿過超導體；液體氦發(fā)生超流現(xiàn)象，黏滯性幾乎為零，而且具有比高純銅還好的導熱性能。氣體具有相當?shù)偷姆悬c，將氣體液化可以獲得低至的低溫。具有目前常用節(jié)流過程或者節(jié)流過程與絕熱膨脹相結合的方法來液化氣體。2節(jié)流過程和焦耳湯姆孫效應 圖1 節(jié)流閥 如圖1所示，管子用不導熱的材料包著，管子中間有一個多孔塞或節(jié)流閥?？萍颊撐?，林德循環(huán)。多孔塞兩邊各維持著較高的壓強和較低的壓強，于是氣體從高壓的一邊經(jīng)多孔塞不斷地流到低壓的一邊，并達到定常狀態(tài)。這個過程既稱為節(jié)流過程。 當氣體在一絕熱管道中流動時，若遇到一狹窄的通道，例如圖1中的多塞孔或節(jié)流閥，由于存在摩擦損耗，使壓力顯著

3、下降，體積膨脹，溫度也會發(fā)生變化。這個效應稱為節(jié)流效應。它是1852年，焦耳和湯姆孫在用多孔塞研究氣體內能時發(fā)現(xiàn)的，因此也被稱為焦耳湯姆孫效應?？萍颊撐?，林德循環(huán)。用熱力學理論對節(jié)流過程進行分析。設在節(jié)流過程中有一定數(shù)量的氣體通過了多孔塞。在通過多孔塞之前，其壓強為，體積為，內能為；通過多孔塞后，壓強為，體積為，內能為。該過程中外界對這部分氣體所作的功為：因為過程是絕熱的，根據(jù)熱力學第一定律，有：即。由式可見，焦耳湯姆孫效應是一種等焓的絕熱不可逆過程。定義圖上的等焓線的斜率被稱為焦湯系數(shù)：它表示在焓不變的條件下，氣體溫度隨壓強的變化率。取為狀態(tài)參量，則狀態(tài)函數(shù)焓可表示為。利用偏導數(shù)之間的關系以

4、及熱力學基本方程，可以得到：令，則可化為：。式和便給出了焦湯系數(shù)與物態(tài)方程和等壓熱容量的關系。對于理想氣體，其物態(tài)方程為：，于是有，從而 ?？梢娫诠?jié)流過程前后，理想氣體溫度不變。 圖2 氮氣節(jié)流過程的圖 對于實際氣體，可將其視為范氏氣體，其物態(tài)方程為：。一般來說，是的函數(shù)，同時又與描述氣體本身性質的參量有關，因此在節(jié)流過程前后，其溫度可能升高也可能較低，其升高和降低的范圍隨氣體種類的不同而有很大的差異?？萍颊撐?，林德循環(huán)。應對應圖上的一條曲線，稱之為反轉曲線。在反轉曲線的一側，氣體經(jīng)節(jié)流過程后降溫，稱為制冷區(qū)；在反轉曲線的另一側，氣體經(jīng)節(jié)流過程后升溫，稱為制溫區(qū)。利用節(jié)流過程的降溫效應可以使氣

5、體降溫而液化。圖2給出了氮氣節(jié)流過程的圖，圖中虛線即為反轉曲線，實線是對應不同焓值的等焓線。 用昂尼斯方程分析焦湯系數(shù)，將昂尼斯方程展開到第二位力系數(shù)，可以得到：。其中，恒成立。在溫度足夠低時，分子間吸力顯著使取負值，從而使；而當溫度足夠高時，斥力的影響使取正值，從而有可能使。可見，反轉溫度的存在時分子間吸力和斥力相互競爭的表現(xiàn)，它是實際氣體偏移理想氣體的結果。由前文所述，焦耳湯姆孫效應是一種等焓的絕熱不可逆過程。因此實際中我們常用由實驗測出的圖上的等焓線來求節(jié)流過程中氣體的溫度變化。只要知道初態(tài)的溫度、壓強及終態(tài)的壓強，即可由對應的等焓線確定終態(tài)的溫度。需要注意的是：1)前文所提到的理想氣體，是經(jīng)典理想氣體，即氣體分子間相互作用于量子統(tǒng)計效應都可以忽略的氣體。對于弱簡并的理想量子氣體，即氣體分子之間相互作用可以忽略的波色氣體與費米氣體，其物態(tài)方程為：