Ugrás a tartalomhoz

Energetika – Energiamenedzsment

Dr. Benkő Zsolt István, Dr. Pitrik József (2011)

Fojtásos állapotváltozás

Fojtásos állapotváltozás

Ha a környezetétől jó hőszigeteléssel elzárt gázt lassan átáramoltatunk porózus anyagon (pl. vattacsomón) vagy szűk csövön (fojtószelepen) úgy, hogy a fojtás előtt a nyomás állandó p1 utána pedig ennél kisebb, de állandó p2 értékű, akkor a legtöbb gáz esetében lehűlést fogunk tapasztalni. Ez a Joule-Thomson hatás (1853)[29] [30] . Az effektus nem értelmezhető az ideális gázok modellje alapján.

Az eredeti Joule-Thomson kísérlet során (4.11. ábra) egy hőszigetelt csőben elhelyezett vattacsomón áramoltattak át lassan gázt. A nyomás a fojtás előtt és a fojtás után is állandó volt. Kezdetben az összes gáz a bal oldalon helyezkedett el (p1, V1, T1), majd a teljes gázmennyiség át lett áramoltatva a jobb oldalra (p2, V2,T2). A hőszigetelés miatt Q = 0. A külső erők által végzett munka:

(4.42)

Ideális gáz esetében a Boyle-Mariotte törvény, az első főtétel és a 4.25 egyenlet alapján:

(4.43)

Azaz nem lenne tapasztalható hőmérsékletváltozás.

4.11. ábra - A Joule-Thomson-féle kísérleti elrendezés

A Joule-Thomson-féle kísérleti elrendezés


Valós gázok esetében Wkülső > 0, valamint a táguló gáznak a molekulák között ható vonzóerő legyőzéséhez munkát (Wbelső) kell végeznie a belső energia rovására. Ez a van der Waals-féle egyenletben (4.12) lévő nyomáskorrekció térfogat szerinti integráljával számítható ki:

(4.44)

A két munka összegétől függ, hogy mi történik a gázzal. Ha Wbelső + Wkülső = 0 , akkor a hőmérséklet nem változik. Ez az inverziós hőmérséklet (Ti). Az inverziós hőmérséklet alatti kezdő hőmérséklet esetében Wbelső + Wkülső < 0 , azaz a gáz lehűl. Az inverziós hőmérséklet feletti kezdő hőmérsékletnél Wbelső + Wkülső > 0 , azaz a gáz felmelegszik. A van der Waals-féle egyenlet együtthatói segítségével:

(4.45)

A gyakorlatban μJ = Δ T / Δp Joule-Thomson együtthatót többnyire mégis inkább méréssel szokás meghatározni. (A valós gázok tényleges viselkedése bonyolultabb, mint a van der Waals-féle egyenlet.)μJ a tapasztalat szerint a folyamat kezdeti hőmérsékletén kívül függ még a gáz kezdeti nyomásától is.

Normál nyomáson és szobahőmérsékleten a hélium (Ti,max = 43 K), a hidrogén (Ti,max = 202 K) és a neon (Ti,max = 260 K) felmelegszik fojtásos állapotváltozás (Joule-Thomson expanzió) során, a többi gáz lehűl.

A fojtásos állapotváltozás során a gáz entalpiája állandó. A Joule-Thomson hatás az alapja a hűtőgépek működésének és a gázok cseppfolyósításának.



[29] Budó Ágoston: Kísérleti fizika I., Tankönykiadó, Budapest, 1978, pp. 393-394

[30] Litz József: Fizika II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2005, pp. 207-208