Газы и сжижение газов. Адиабатный процесс

Явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении дросселированием от одного постоянного давления к другому называется эффектом Джоуля – Томсона.
Изменение температуры неидеального газа в процессе Джоуля – Томсона объясняется тем, что при расширении газа увеличивается расстояние между молекулами и, следовательно, совершается внутренняя работа против взаимодействия между молекулами. За счет этой работы изменяется кинетическая энергия молекул, а следовательно, и температура газа. В идеальном газе, где силы взаимодействия молекул равны нулю, эффекта Джоуля – Томсона нет.
Количественно эффект Джоуля – Томсона характеризуется дифференциальным коэффициентом Джоуля – Томсона µ, который определяется отношением изменения температуры газа ΔТ к вызвавшему его изменение давления Δр:
µ=ΔТ/Δр.
Вычислим коэффициент Джоуля – Томсона, пользуясь выделенными термодинамическими соотношениями. Это вычисление явится полезной иллюстрацией применения термодинамики для решения конкретных задач. Но прежде чем приступить к этим вычислениям, проанализируем детальнее процесс Джоуля – Томсона. Для этой цели несколько схематизируем этот процесс.
Представим себе, что определенная масса, например 1 моль газа, протекает слева направо через пористую перегородку L (рис. 1), помещенную в теплоизолированный цилиндр.
рис. 1
Пусть один моль газа занимает объем V₁ между перегородкой L и точкой М слева (рис. 1, а), а после прохождения перегородки, т.е. после расширения, - объем V₂ между перегородкой и точкой N справа (рис. 1, б). Для наглядности поместим мысленно в точке М поршень К₁, перемещение которого вправо называет протекание газ через перегородку пол постоянным давлением р₁. После прохождения через перегородку этот же газ перемещает воображаемый поршень К₂, испытывающий противодавление (тоже постоянное) р₂, до положения N. В действительности роль поршней К₁ и К₂ выполняет упомянутый выше компрессор.
Вычислим внешнюю работу, совершенную газом. При перемещении поршня К₁ от положения М до перегородки L объем газа изменяется от значения V₁ до нуля. При постоянном давлении совершенная работа равна произведению этого давления на изменение объема, следовательно, работа перемещения моля газа слева от перегородки равна –р₁V₁. По тем же причинам работа, совершенная газом справа от перегородки, равна р₂ V₂. Общая работа ΔА расширений газа
ΔA=p₂V₂ – p₁V₁.
Согласно первому началу термодинамики, работа, совершенная газом, должна быть равна изменению его внутренней энергии с обратным знаком, поскольку процесс расширения проведен адиабатно, так что ΔQ=0. Поэтому, если U₁ и U₂ – внутренняя энергия моля газа до и после его расширения, то
p₂V₂ – p₁V₁ = U₁ – U₂ , или U₁ + p₁V₁ =U₂ + p₂V₂.
Функция U + pV = I называется тепловой функцией или энтальпией газа. Это функция состояния, которая при изобарическом процессе играет ту же роль, какую при адиабатном процессе играет внутренняя энергия U, а при изотермическом – свободная энергия F. Значит, процесс Джоуля – Томсона происходит так, что тепловая функция газа остается постоянной по обе стороны перегородки (дросселя):
d(U + pV) = 0. (1)
Для идеального газа как внутренняя энергия, так и произведение pV зависят только от температуры (они пропорциональны Т); потому и тепловая функция U + pV зависит только от температуры. Равенство тепловых функций идеального газа по обе стороны перегородки одновременно означает и равенство температур. Значит, для идеального газа коэффициент Джоуля – Томсона равен нулю.
Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры.
Диаграмма состояния вещества рис.1:
Л
юбое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление р - температура Т (в р, Т-диаграмме, рис. 1). При температурах ниже критической Т_к эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) / и парообразования II. Это означает, что при любом давлении ниже критического р_к существует температура Т (см. рис. 1), определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. В состояниях на кривой 1 (ниже тройной точки T_p)газ находится в равновесии с твёрдым веществом (твёрдой фазой), а на кривой II (между тройной и критической точкой К.) - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.
При температурах ниже Т_к можно сконденсировать газ. - перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газа имеют важное техническое значение.
При Т > Т_к граница газообразной области условна, поскольку при этих температурах фазовые превращения не происходят. В ряде случаев за условную границу между газом. и жидкостью при сверхкритических температурах и давлениях принимают критическую изохору вещества (кривую постоянной плотности или удельного объёма, см. рис. 4), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.
В связи с тем что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах.
С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~10⁹ г/см³). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.