气体的节流过程和绝热膨胀过程【借鉴分享】

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1、绵阳师范学院本科生毕业论文（设计）题 目 气体的绝热膨胀和节流过程探讨 专 业 物理学 院 部 物理与电子工程学院 学 号 0709420424 姓 名 李 飞 指 导 教 师 廖碧涛 讲师 答 辩 时 间 2011年5月 论文工作时间： 2010 年 11 月 至 2011 年 05 月u5ap气体的绝热膨胀过程和节流过程探讨学 生: 李 飞指导教师: 廖碧涛摘 要：目前低温技术越来越受到人们的关注，低温制冷技术已经广泛应用于气象，军事，航空航天，低温电子技术，低温医学领域等。气体的绝热膨胀和节流过程是获得低温的两种途径。在绝热的条件下高压气体经过多孔塞或节流阀流到低压一边的稳定流动过程称为

2、节流过程。测量气体在多孔塞或节流阀两边的温度表明，在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦耳-汤姆逊效应，简称焦-汤效应。这是焦耳和汤姆逊在1852年用多孔塞实验研究气体内能时发现的。绝热膨胀是指与外界没有热量交换，但气体对外界做功，气体膨胀。根据热力学第一定律，可证明这是等熵过程，在这个过程中气体体积增大，压强降低，因而温度降低。所以绝热膨胀经常用于降低气体的温度，起到冷冻的效应。本篇文章主要是对理想气体和范德瓦耳斯气体在节流过程和绝热膨胀两种过程中热力学特征以及各状态函数变化的研究，得出各状态参量的变化情况。加深对节流过程和绝热膨胀过程的理解和认识。节流过程和绝热膨胀过程制冷都有

3、着各自的优点和缺点，将节流过程和绝热膨胀过程结合使用可以充分弥补各自的缺点，发挥优点，达到极好的制冷效果，获得低至1K的低温。目前节流过程和绝热膨胀过程被广泛运用与化工生产中。关键词 低温； 绝热膨胀； 节流过程； 焦耳一汤姆孙效应The Insulation the Expansion Process and inThe Throttling process toUndergraduate: Li fei Supervisor: Liao BitaoAbstract：At present technology has been getting attention.Temperatures r

4、efrigeration technology is widely applied to meteorological, military, the cooler the air space and technology, medicine, etc. low temperatures. Of hot gas expands and throttling process is a low temperature two ways. In the insulation of high pressure gas after the plug or throttling the valve to t

5、he stability of the low side of the current process is called the throttling process. the gas or throttling the valve in the plug on the temperature that, in the throttling process, the temperature of the gas has changed, the effect is called joule - thompson, short dark - soup joule and effect. tho

6、mpson is in the membrane in the plug experimental research on the gas can find. insulation expansion is from outside world and no calories But gas to do work, expansion of gases. according to law of thermodynamics to the first, but that this is the process of entropy, volume of gas, lower pressure a

7、nd temperature is lower. therefore, the insulation is often used for lowering the temperature of the gas, to freeze effect. this article is in an ideal gas and vande gas in the throttling process and the insulation the expansion process thermodynamics characteristics and the condition function That

8、the state the throttling process and the insulation. the expansion process of refrigeration have their respective advantages and disadvantages, will the throttling process and the insulation the expansion process can be used for their faults and virtues, a chilling effect, the low temperatures. in a

9、ddition, 1k in temperatures constant concern and to explore technology, The throttling process and the insulation the expansion process was widely used and chemical production.Key words: Temperatures；Insulation expansion；The throttling process Joule and tom effect.目 录引言11节流过程和绝热膨胀过程11.1节流过程11.1.1节流过

10、程的定义及特征11.1.2焦耳-汤姆逊效应21.2 绝热膨胀过程41.2.1绝热膨胀的定义41.2.2绝热膨胀的特征52理想气体的绝热膨胀和节流过程62.1理想气体的绝热膨胀过程62.2理想气体的节流过程83范德瓦尔斯气体的绝热膨胀和节流过程83.1范德瓦耳斯气体的绝热膨胀83.2范德瓦耳斯气体的节流过程94绝热膨胀与节流过程的比较和应用114.1绝热膨胀与节流过程的比较114.2两种过程获得低温的优缺点114.3绝热膨胀和节流过程的应用12结束语12参考文献13致 谢14u5ap引言低温制冷技术在已经在各领域的到广泛应用；有研究表明，寿命与环境温度的关系非常密切，如青蛙生活在2的水中的寿命，

11、比它在21的水中高出960倍。生命在低温技术下可以长时间得以保存，如科学家在南极冰岩400米深的冰层里发现冷冻着的许多古代微生物，如果将其慢慢解冻，有些小生命会从沉睡中苏醒过来。因而如果能够把那些目前不治之症的病人在低温下冻结，让其生命保存起来，待将来医疗技术有了突破后再将其解冻后进行治疗，在医学上有重要意义。低温技术为超导应用提供了最基本的运行条件，成为超导系统整体的一个重要而又不可分割的部分，其直接关系到超导设备的效率和安全可靠性。还有在高压补燃氢氧发动机的研制过程中，如果解决一系列的低温技术问题，可以使我国航天领域更上一台阶。如何获得低温？实现低温的方式方法很多，下面我们主要介绍以节流过

12、程和绝热膨胀过程获得低温的方法，以及在这两种过程中表现出的热力学特征和各状态函数的变化。节流过程前后气体的焓值是相等的（），熵增加（）。在焓不变的情况下，气体温度随压强的变化可以用状态函数焓表示为H=H(T,p)。节流过程所产生的效应可用焦-汤系数表示，若，则温度降低，节流为正效应，若，则温度升高，节流为负效应，若，则温度不发生变化，节流为零效应。对于理想气体而言，这就是说理想气体在节流过程前中后温度不变，不能用节流膨胀的方法使理想气体降温。而对于实际气体，可能大于零也可能小于零，因此节流可能使温度降低也可能使温度升高。节流效应也可以用反转曲线表示，该曲线分为制冷区和制温区，制冷与制温由系统的

13、初始状态决定。绝热膨胀过程前后气体的熵是不变的（），但焓减小（）。绝热膨胀过程中，气体的体积V增大，压强p降低，等熵过程的温度随压强的变化而变化。过程可用等熵效应系数来衡量。又由于系统不和外界交换热量，即dQ=0，故由热力学第一定律，气体的温度T必然降低。1节流过程和绝热膨胀过程1.1节流过程1.1.1节流过程的定义及特征气体在绝热的条件下，由稳定的高压部分经多孔塞或节流阀流到稳定的低压一边的过程叫节流过程。 图1-1 节流过程示意图 以活塞左边气体为研究对象 ，当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从。设气体都在左边时的内能为，气体都在右边时的内能为。显然气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它

14、所作的功为 （1-1）同时推动右边活塞作功，其数值为 （1-2）外界对定量气体所作的净功为。注意到绝热过程Q = 0，则由第一定律知 (1-3) 即 (1-4)这就是说，绝热节流过程前后的焓不变，而且在整个街过程中焓值都不变。又由于节流时气流内部受到多孔塞的摩擦阻力，存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大，即 (1-5)1.1.2焦耳-汤姆逊效应鉴于1843年焦耳的自由膨胀实验不够精确，1852年焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀演示来观察实际气体在膨胀时所发生的温度变化。在一个圆形绝热筒的中部置有一个刚性的多孔塞，使气体通过多孔塞缓慢地进行节流膨胀，并且在多孔塞的两边

15、能够维持一定的压力差，实验时将压力和温度恒定为和的某种气体，连续地压过多孔塞，使气体在多孔塞右边的压力恒定为，且。由于多孔塞的孔很小，气体只能缓慢地从左侧进入右侧。从到的压力差基本上全部发生在多孔塞内，由于多孔塞的节流作用，可保持左室部分和右室低压的部分压力恒定不变，即分别为与。这种维持一定压力差的绝热膨胀过程叫做节流膨胀。也称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效应。 图1-2 焦耳-汤姆逊效应示意图 在焦耳-汤姆逊效应中焦耳-汤姆逊系数：焦耳-汤姆逊系数可以理解为为在等焓变化的节流膨胀中（或是焦耳-汤姆逊作用下）温度随压力变化的速率。表达式如下： (1-6)V表示气体体积；表示该气体的等压热容；

16、表示该气体的热膨胀系数。的国际单位是K/Pa，通常用C/bar。当是正数，则气体降温，反之则升温。大气压下焦耳汤姆逊效应中氦气和氢气通常为升温性质的气体，而大多数气体则是降温，对于理想气体焦耳汤姆逊系数为零，在焦耳汤姆逊效应中既不升温也不降温。可以从下面推导（1-6）表达式：前提一：焦耳汤姆逊效应是一个绝热不可逆过程容易推导得出这是一个等焓过程，则。前提二：由基础热力学关系式 （1-7）（将dS用dT和dp表示），则 （1-8）推导：由于 （1-9） 所以上式可以写成： （1-10）再通过麦克斯韦关系变化式： （1-11）则可得到 （1-12）于是可得： （1-13）不同气体在大气压下的焦耳-

17、汤姆逊系数，如下图。 图1-3 不同气体在大气压下的焦耳-汤姆逊系数1.2 绝热膨胀过程1.2.1绝热膨胀的定义绝热膨胀过程是指与外界没有热量交换的膨胀过程，但气体对外界做功，气体膨胀。此过程可近似地看成准静态过程，在准静态绝热过程中 （1-14） 同时由式（1-14）我们还可以得出 （1-15） 式（1-15）给出在准静态绝热过程中气体的温度随压强的变化率。式子右边是恒正的，所以，随着体积膨胀压强降低，气体的温度必然降低，从能量转化的角度看，气体在绝热膨胀过程中减少其内能而对外做功，膨胀后气体分子间的平均距离增大，吸力的影响减弱而使分子间的互作用能量有所增加。内能既减少，相互作用能量又增加，

18、分子的平均动能必减少，因而气体的温度下降，起到冷冻的效果。1.2.2绝热膨胀的特征根据热力学第一定律，由于， 可证明绝热膨胀过程等熵过程。绝热膨胀过程具有以下几个特征：（1）过程曲线 图1-4 过程曲线（2） 绝热方程 （1-16）绝热指数 （1-17）（3） 三个物理量计算式，( 4 ) 如果以T、V为自变量 （1-18）即有 （1-19） 上式右边总是负的.表明气体在经过绝热膨胀过程时，温度总是要降低的.在气体液化的过程中，可以利用这一方法降低温度。 ( 5 )如果以T、p为自变量 （1-20） 即有 （1-21）上式右边总是正的.表明气体在经过绝热膨胀过程时压强降低，气体的温度也降低.

19、从能量转化的角度看，气体温度下降是由于气体在膨胀过程中，减少其内能而对外做功的结果. (6) 绝热线和等温线由得绝热 等温 绝热线斜率的绝对值比等温线的大，即绝热线要陡一些。如图1-5所示。 图1-5 物理原因：在等温膨胀中，压力降低的因素只有一个，即体积增大使物质的量n减小（）；在绝热过程中，压力降低的因素有两个，即体积增大使物质的量n减小，而温度也降低。故对相同的体积变化，绝热过程的压力变化大于等温过程的压力变化。 2理想气体的绝热膨胀和节流过程2.1理想气体的绝热膨胀过程（1）理想气体绝热膨胀过程特点及方程式：系统与外界无热量交换，气体以系统内能减少为代价对外作功。准静态过程中外界对气体

20、所作的功为 （2-1）理想气体的内能只是温度的函数 （2-2）式中为等体摩尔热容量，由热力学第一定律，考虑到Q=0，有。即 （2-3）对理想气体状态方程微分，可得 （2-4）联立以上两式，消去dT，得到 （2-5）利用理想气体的等温和等压过程的特点，有 （2-6）定义，有 （2-7）或 （2-8）若在一般过程中理想气体温度变化不大，可将 看作常数，将上式积分，得到 （2-9）这就是准静态绝热过程的过程方程，称为泊松公式。利用理想气体状态方程，还可以将泊松公式表示成用(V,T)或(p,T)作为变量的形式 （2-10） （2-11）（2-9）（2-10）（2-11）均为理想气体绝热膨胀过程方程式。

21、（2）理想气体绝热膨胀过程功的改变量为 （2-12）（3）理想气体绝热膨胀过程熵的改变量为（4）等熵膨胀时，压力变化所引起的温度变化，称为积分等熵温度效应。 （2-13）计算积分等熵温度效应的方法 （2-14）只要已知气体的状态方程就可以积分求解出。对于理想气体，可以直接利用绝热可逆过程的参数方法求，绝热可逆过程有 （2-15） （2-16）这个式子说明了是与初温成正比的，这一点与节流过程不同。2.2理想气体的节流过程对于理想气体，假设为1mol,则将其物态方程(）代入（1-13）可证得 （2-17）所以。这说明理想气体在节流过程中温度T不发生变化。同时理想气体在节流过程中焓也不发生变化，既

22、3范德瓦尔斯气体的绝热膨胀和节流过程3.1范德瓦耳斯气体的绝热膨胀（1）等熵过程（要注意绝热过程是可逆的才能称为等熵过程），等熵过程的温度随压力的变化而变化过程用等熵效应系数来衡量。 （3-1）(3-1)表示等熵膨胀的温度随压力变化的变化率。熵是温度和压力的函数，对于等熵过程 （3-2）移项，得 (3-3) （3-4） (3-5) 恒大于零说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可制冷，这与节流膨胀不同。（2）等熵膨胀时，压力变化所引起的温度变化，称为积分等熵温度效应。 （3-6）计算积分等熵温度效应的方法 （3-7）只要已知气体的状态方程就可以积分求解出。3.2范德瓦耳斯气体的节流过程(1)

23、实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应，也称为焦耳-汤姆逊效应。前面已经定义焦汤系数。 （3-8）对于实际气体当 即时 , ， 当 即 时 , 。一般来说， 是 P , T 的函数。由 可以得到 P , T 所满足的方程。可在 P , T图上画一条曲线，称为反转曲线。该曲线分隔致冷区和致温区。能不能达到降温的目的，由系统的初始状态决定。由于真实气体的节流效应值随着状态的不同而发生变化，所以在实际当中，要产生制冷效应，必须选择适当的节流前状态，使其节流效应系数大于0。欲达到这一目的，首先要找到转化点。 图3-1 反转曲线 转化曲线左侧，等焓线上，压力减小，温度降低，为制冷区

24、；转化曲线右侧，等焓线上，压力减小，温度升高，为制热区；转化曲线上，节流效应系数为零。（2）假设范德瓦耳斯气体（1mol）,其物态方程为， （3-9）则有 （3-10）将上式代入（3-7）式，并令=0，经整理得： （3-11）再把V的表达式代入物态方程，得 （3-12） 取消根号后，上式变为 （3-13） 图3-2 （3-12）（3-13）两式给出了范德瓦耳斯气体（1mol）的转换温度与压强的关系。例如，用氮气的常数和b代入，可绘得氮气的转换温度曲线，如图3-2中的虚线所示它是一条抛物线，一个压强值对应两个转换温度. 只有当气体的温度在这两个转换温度之间内节流时，才能得到降温的效应，否则节流后

25、气体升温. 图3-2中的实线是氮气转换温度的实验曲线，与根据（3-13）式绘出的曲线有差异。 这也在一定程度上反映了范德瓦耳斯方程的近似性。由于通常是利用节流过程使气体降温，所以一般给出的转换温度的数值是指温度较高的数值（称为上转换温度）。例如，在100 atm时，氮气的转换温度为625K，氢气的转换温度为202K，氦气的转换温度为34K，这些都是指上转换温度。4绝热膨胀与节流过程的比较和应用 4.1绝热膨胀与节流过程的比较（1）由以上几节分析我们可以得出下述结论：a.节流过程的主要特征是等焓，熵增加；绝热膨胀过程中熵不变，焓b.理想气体节流时温度不变，不能用于制冷或制热；理想气体绝热膨胀温度

26、的改变与初温成正比。c.实际气体节流效应取决于气体的初始状态，在不同的初始状态下节流，具有不同的微分节流效应值。d.绝热膨胀与气体属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。（2）绝热膨胀的温度效应大于节流过程的温度效应，即 （4-1） 制冷量 （4-2）（3）两种过程各参数对比 表4-1 对比表方式 热换功 焓变压力温度应用场合降温效果节流0 0 0下降下降、升高、不变气体液化流程差绝热膨胀0大于零下降下降下降气体液化流程和小型制冷机好4.2两种过程获得低温的优缺点（1）节流降温法两个优点：装置没有移动部分（低温下移动部分的润滑是十分困难的问题），在一定的压强降落下，温度愈低获得的温度

27、降落愈大。缺点：利用节流过程降温，气体的初温必须低与反转温度。解决方法：使节流过程重复进行，并通过逆流交换器使节流膨胀降温后的气体对后进来的气体进行预冷，把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。（2）绝热膨胀降温法优点：不必经过预冷缺点：膨胀机有移动部分，而且在一定的压强降落下，温度愈低时，所获得的温度降落愈小。4.3绝热膨胀和节流过程的应用节流制冷循环的性能系数低，经济性较差，但由于其组成简单、无低温下的运动部件、可靠性高，所以仍然得到重视。比如利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀实现天然气的液化；利用节流膨胀制冷法为冷冻手术创造低温环境。用高压贮气瓶代替压缩机作气源的开式节流制冷循环，更便

28、于微型化和轻量化，在红外制导等领域得到了广泛使用。目前，节流制冷循环研究的新进展在于利用混合工质代替纯工质以便达到降低压力、提高效率的目的。低温制冷技术在已经在各领域的到广泛应用，在医学上，能够把那些目前不治之症的病人在低温下冻结，让其生命保存起来，待将来医疗技术有了突破后再将其解冻后进行治疗。在国防建设中，美国航天局已于80年代至今，开发出多种型号的微型逆Brayton循环制冷机，分别用于哈勃望远镜及多种型号卫星上，大大的提高了卫星的整体运行寿命。随着我国制冷技术的不断进步，我们也完全有条件进行这方面的研究，为提高我国军事力量作出贡献。结束语气体的节流过程和绝热膨胀这两种过程在制冷过程中有着

29、各自的特点。从状态函数的变化而言，节流过程是焓持续不变，熵增加的过程；绝热膨胀是熵不变，焓减少的过程。从设备装置而言，节流过程装置没有移动部分，而绝热膨胀却有移动部分；低温条件下移动部分的润滑是十分困难的问题，这是节流过程的优点。但是节流过程气体的初温必须低与反转温度，而绝热膨胀却没有这个限制。本文主要研究讨论了理想气体和范德瓦耳斯气体在节流和绝热膨胀两种过程中各状态函数，以及各参量的变化情况，加深对节流过程和绝热膨胀过程的了解。学会用理论知识解决实际问题，并且能用于以后的实际生活生产中。节流过程和绝热膨胀是最常用的两种获取低温的方法，因为其对设备的要求不是太高，所以被广泛用与化工生产之中。参

30、考文献1汪志诚热力学统计物理M北京：高等教育出版社，20002何建勇，张德清.大众科技, 2007年10月刊3张新昌低温技术常州信息职业技术学院学报，Vo13 No4付清荣. 伊犁师范学院学报,2006年9月，第3期5武瑞兰马文采，徐昌业大学物理实验北京：中国计量出版社1996(2006-06-26收稿)6肖体成. 物理实验.第2l卷, 第3期 7马本堃,高尚惠,孙煌.热力学与统计物理学,北京-高等教育出版社,1985.71-758付豹,白红宇,朱平.低温工程.2007年第1期,总第155期9计光华; 透平膨胀机，北京：机械工业出版社，198910Bai Hongyu , Bai Yanfan

31、g , Wang Jinrong , et al. Cryogenic system for the superconductingTokamank TH-7U, 2002, 42(1) : 162-166 致 谢 本论文是在我的指导老师廖碧涛老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。四年来，学院老师们不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！我还要感谢我的母校绵阳师范学院为我提供了良好的学习机会！在我今后的教学工作中，我一定会立足本职工作，努力提高自身素质，做一名合格的教育工作者。 李飞 2011年4月u5ap