焦耳-汤姆孙效应

焦耳-汤姆森效应是指气体会因在等焓的环境氮气的膨胀，而使温度上升或下降。这个过程称为焦耳-汤姆森过程。

氮气的焦耳-汤姆孙效应系数在不同温度，压力下的正负值

这以詹姆斯·焦耳和开尔文男爵命名。

描述

各种气体定律说明了温度、压力和体积。当体积不可逆回地上升，这些定律不能清楚说明压力和温度的改变。而在可逆绝热过程中，气体膨胀做了正功，因此温度下降。

可是，真实气体（相对理想气体而言）在等焓环境下自由膨胀，温度会上升或下降（是哪方看初始温度而定）。对于给定压力，真实气体有一个焦耳-汤姆森反转温度，高于温度时气体温度会上升，低于时气体温度下降，刚好在这温度时气体温度不变。许多气体的在1大气压力下的反转温度高于室温。

焦耳-汤姆森系数

在焦耳-汤姆森过程，温度随压力的改变称为焦耳-汤姆森系数：

${\displaystyle \mu _{JT}=\left({\partial T \over \partial P}\right)_{H}}$

对于不同气体，在不同压力和温度下，${\displaystyle \mu _{JT}}$的值不同。${\displaystyle \mu _{JT}}$可正可负。考虑气体膨胀，此时压力必下降，故${\displaystyle dP<0}$。

${\displaystyle \mu _{JT}}$是	因为${\displaystyle dP}$是	因此${\displaystyle dT}$必是	气体
+	-	-	冷却
-	-	+	变暖

若${\displaystyle \mu _{JT}=0}$，则温度不随压力也不随体积而变，此时气体位于反转点，而此温度称之反转温度。

氦和氢在1个大气压力下，反转温度相当低（例如氦便是−222℃）。因此，这两种气体在室温膨胀时温度上升。

对于理想气体，${\displaystyle \mu _{JT}=0}$。

原理

温度下降：当气体膨胀，分子之间的平均距离上升。因为分子间吸引力，气体的位能上升。因为这是等焓过程，系统的总能量守恒，所以位能上升必然会令动能下降，故此温度下降。

温度上升：当分子碰撞，动能暂时转成位能。由于分子之间的平均距离上升，每段时间的平均碰撞次数下降，位能下降，因此动能上升，温度上升。

低于反转温度时，前者的影响较为明显，高于反转温度时，后者影响较明显。

应用

参见：林德－汉普逊循环

焦耳第二定律

很容易证实，对于由合适的微观假设定义的理想气体，αT = 1，因此在焦耳-汤姆逊膨胀下这种理想气体的温度变化为零。对于这样一种理想的气体，这个理论结果意味着：

理想气体的固定质量的内部能量仅取决于其温度（而非压力或体积）。

这个规则最初是由焦耳实验发现的，它被称为焦耳第二定律。当然，更精确的实验发现了重要的偏差。 ^[1][2][3]

参考

• Zemansky, M.W. Heat and Thermodynamics. McGraw-Hill. 1968., p.182, 335
• Schroeder, Daniel V. Thermal Physics. Addison Wesley Longman. 2000., p.142
• Kittel, C., and Kroemer, H. Thermal Physics. W.H. Freeman and Co. 1980.
• Perry, R.H. and Green, D.W. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGraw-Hill Book Co. 1984. ISBN 978-0-07-049479-4.

1. Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1 Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London, pp. 614–615.
2. Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0, p. 116.
3. Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 81.