Joule'i-Thomsoni efekt

Joule'i-Thomsoni efekt (ka Joule'i-Kelvini efekt) on gaasi temperatuuri muutumine poorsest materjalist või ventiilist läbi surumisel adiabaatilisel protsessil. Toatemperatuuril kõik gaasid peale lämmastiku, heeliumi ja neooni jahtuvad Joule'i-Thomsoni efekti mõjul. See efekt on võimalik tänu reaalse gaasi mitteideaalsusele, mis tuleneb Van der Waalsi jõust. ideaalse gaasi mudeli põhjal ei tohiks sellise protsessi käigus gaasi temperatuur muutuda.

Füüsikaline mehhanism

Sõltuvalt Van der Waalsi jõu suunast (kas tõmbuv või tõukuv) võib Joule'i-Thomsoni efekt gaasi temperatuuri tõsta või langetada.

Gaasi ruumala suurendades suurenevad molekulidevahelised kaugused. Tõmbejõudude tõttu gaas paisub ja kasvab ka tema potentsiaalne energia. Kuna tegemist on adiabaatilise protsessiga, peab see kasv tulema kineetilise energia arvelt. Seetõttu tõmbejõudude domineerimisel langeb gaasi temperatuur paisumisel.

Paralleelselt töötab ka vastupidine protsess. Molekulide omavaheliste põrgete ajal muutub tõukejõudude toimel kineetiline energia lühiajaliselt potentsiaalseks. Molekulidevahelise kauguse suurenemisel väheneb põrgete sagedus ja potentsiaalse energia arvelt kasvab kineetiline.

Temperatuuri, millest alates paisumisel hakkab temperatuur kahanemise asemel kasvama, nimetatakse inversioonitemperatuuriks.

Joule'i-Thomsoni koefitsient

Joule'i-Thomsoni efekti kvantitatiivseks kirjeldamiseks kasutatakse Joule'i-Thomsoni koefitsienti, mis on defineeritud kui temperatuuri tuletis rõhu järgi konstantsel entalpial. Avaldises

$\mu _{JT}=\left({\frac {\partial T}{\partial P}}\right)_{H}={\frac {V}{C_{P}}}(\alpha _{V}T-1)$

on $C_{P}$ gaasi soojusmahtuvus isobaarilisel protsessil ja $\alpha _{V}$ on soojuspaisumistegur. Efekti suuruse arvutamiseks on vaja leida esmalt soojuspaisumistegur, mille saab parasjagu gaasi jaoks kasutatavast mudelist.

$\alpha _{V}={\frac {1}{V}}\,\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p}$