Kesan Joule-Thomson: Apabila Gas Menyejuk atau Memanas Semasa Pendikitan

Apabila gas mengalir melalui injap sempit atau palam berliang dari tekanan tinggi ke tekanan rendah tanpa pertukaran haba yang besar dengan persekitaran, suhunya boleh berubah. Kesan ini penting kerana gas sebenar mempunyai interaksi antara molekul yang tidak wujud dalam model gas ideal sempurna.

Pekali Joule-Thomson menentukan arah perubahan suhu

Pekali Joule-Thomson ditakrifkan sebagai μ_JT = (∂T/∂P)_H, iaitu perubahan suhu terhadap tekanan pada entalpi malar. Dalam proses pendikitan, tekanan menurun (ΔP < 0). Jika μ_JT > 0, suhu menurun apabila tekanan turun, jadi gas menyejuk; jika μ_JT < 0, suhu meningkat apabila tekanan turun, jadi gas memanas.

Tarikan dan tolakan antara molekul menjadikan gas sebenar berbeza

Dalam gas sebenar, sebahagian tenaga berkait dengan susunan dan interaksi antara molekul. Apabila tekanan berubah pada entalpi hampir malar, pengagihan antara tenaga dalaman dan kerja aliran boleh berubah, lalu suhu juga boleh berubah.

Nilai μ_JT bergantung pada gas, suhu dan tekanan. Bagi nitrogen pada suhu bilik dan tekanan sederhana, μ_JT kira-kira 0.25 K/bar, jadi pendikitan daripada 100 bar ke 1 bar (ΔP ≈ −99 bar) menurunkan suhu kira-kira 25 K sebagai anggaran kasar, kerana μ_JT sebenarnya berubah sepanjang julat itu. Hidrogen dan helium pula, pada suhu bilik, berada di atas suhu songsangan masing-masing, jadi μ_JT < 0 dan pendikitan memanaskannya; untuk mencairkannya melalui proses Joule-Thomson, gas itu perlu disejukkan dahulu di bawah suhu songsangan.

Tanda μ_JT boleh berubah pada suhu songsangan

Bagi sesuatu gas, terdapat keadaan apabila μ_JT = 0. Garis keadaan ini memisahkan keadaan pendikitan yang menyebabkan penyejukan daripada keadaan yang menyebabkan pemanasan. Oleh itu, tidak semua gas menyejuk pada semua suhu dan tekanan.

Jangan samakan pendikitan dengan pengembangan bebas biasa

Kesan Joule-Thomson merujuk khusus kepada proses aliran pendikitan yang hampir adiabatik dan berentalpi malar. Pengembangan bebas dalam bekas tertutup mempunyai kekangan tenaga yang berbeza. Magnitud perubahan suhu juga bergantung pada gas serta keadaan awal tekanan dan suhu.

Sejarah ringkas

James Prescott Joule dan William Thomson (kemudian Lord Kelvin) menjalankan eksperimen aliran gas melalui palam berliang pada 1850-an. Kesan ini kemudian digunakan oleh Carl von Linde pada 1895 dalam kaedah pencairan udara.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?