تأثير جول طومسون - Joule-Thomson Effect

ما هو تأثير جول طومسون – Joule-Thomson Effect؟

“تأثير جول – طومسون” المعروف أيضًا “بتأثير كلفن – جول” أو “تأثير جول – كلفن” هو التغير في درجة حرارة السائل حيث يتدفق من منطقة ضغط أعلى إلى ضغط أقل، وفقًا لمبدأ الديناميكا الحرارية، يمكن تفسير “تأثير جول-كلفن” بشكل أفضل من خلال النظر في حزمة غاز منفصلة موضوعة في التدفق المعاكس للاتجاه من أجل التقييد، لكي تمر عبوة الغاز، يحتاج الغاز المنبعث إلى القيام ببعض الأعمال للدفع عبر الحزمة، الشغل يساوي حجم الحزمة مضروبًا في أوقات ضغط المنبع:

W1 =Vpacket 1 ×P1

عندما تمر الحزمة عبر التقييد، يجب أن تفسح المجال عن طريق إزاحة كمية كبيرة من الغاز المصب، يتضمن أداء الشغل الذي يساوي ناتج حجم الحزمة وضغط المصب أو “المنبع”:

W2 =Vpacket 2 ×P2

نظرًا للتأثيرات المختلفة للانضغاط، فإنّ الشغل المنجز في المنبع لا يساوي مقدار الشغل المنجز في اتجاه مجرى النهر للغازات الحقيقية، نظرًا لأنّ الضغط يُنظر إليه على أنّه عملية ثابتة الحرارة، فإنّه يكشف أنّ أي غاز لا يتبادل الشغل أو الحرارة من خلال محيطه، أي تغيير في الطاقة الداخلية يجب أن يتبع “القانون الأول للديناميكا الحرارية“.

U2 −U1 =W1 −W2

تتعرض جزيئات الغاز لقوى دافعة وجاذبة “قوى فان دير فال” (Van der Waals forces) لأنّها في حركة عشوائية، عندما ينخفض ضغط الغاز، أي يزداد متوسط المسافة بين الجزيئات، تصبح القوى الجاذبة مهيمنة على العديد من الغازات عند درجة الحرارة المحيطة ممّا يؤدي إلى ارتفاع في الطاقة الكامنة، تحتاج معظم الغازات الحقيقية إلى مزيد من الشغل في اتجاه المصب في درجة الحرارة المحيطة، بسبب تأثيرات الانضغاط.

P1 ×V 1 <P2 ×V2

يشير هذا إلى أنّ الطاقة الداخلية تتناقص عندما يمر الغاز عبر القيد، يمكن تعميم أنّه بالنسبة للعديد من الغازات الحقيقية، تنخفض درجة الحرارة أثناء انخفاض الضغط، ولكن هذا لا ينطبق على كل غاز وحالته، الضغط هو عملية تكشف أنّ المحتوى الحراري لا يتغير، يمكن أن تنخفض درجة الحرارة أو تزيد لأي غاز بناءً على كيفية تغير الطاقة الداخلية للحفاظ على المحتوى الحراري الثابت.

شرح تأثير جول طومسون:

تأثير جول-طومسون (JT) هو عملية ديناميكية حرارية تحدث عندما يتمدد السائل من ضغط مرتفع إلى ضغط منخفض عند المحتوى الحراري الثابت “عملية متساوية”، يمكن تقريب مثل هذه العملية في العالم الحقيقي من خلال توسيع السائل من ضغط مرتفع إلى ضغط منخفض عبر صمام، في ظل الظروف المناسبة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تبريد السائل.

لوحظ هذا التأثير لأول مرة في تجربة أجراها “جيمس جول وطومسون” في عام (1852) حيث قاموا بتدفق هواء عالي الضغط عبر سدادة مسامية صغيرة ممّا تسبب في انخفاض الضغط، لاحظ “جول وطومسون” أنّ الهواء قد تمّ تبريده من خلال هذا الإجراء، بناءً على هذا العمل، في عام (1895)، طوّرت (Linde) في ألمانيا وهامسون في إنجلترا بشكل مستقل وحصلت على براءة اختراع ثلاجة تجمع بين تأثير (JT) والمبادلات الحرارية وضاغط المكبس، أصبح هذا معروفًا باسم دورة (Linde-Hampson) أو (Joule-Thomson)، لعبت مثل هذه الثلاجة دورًا مهمًا في “إسالة جيمس ديوار” للهيدروجين في عام (1898).

يمكن وصف “تأثير جول-طومسون” عن طريق “معامل جول-طومسون” وهو ببساطة المشتق الجزئي للضغط المرتبط بدرجة الحرارة عند المحتوى الحراري الثابت، إذا كان هذا المعامل موجبًا، فعندئذٍ يبرد السائل عند التمدد وإذا كان سالبًا يسخن السائل عند التمدد.

يختلف معامل (JT) كدالة للضغط ودرجة الحرارة ويختلف من مائع إلى مائع، يُعرف المنحنى الموصوف بواسطة معامل (JT) الذي يساوي الصفر كدالة للضغط ودرجة الحرارة باسم منحنى الانعكاس، تحت هذا المنحنى تبريد السائل يحدث عند التمدد، من الممكن أيضًا تحديد درجة حرارة الانعكاس القصوى لسائل معين، يجب أن يكون السائل أبرد من درجة الحرارة هذه ليبرد عند التمدد.

تأثير جول طومسون والنيتروجين:

في حالة النيتروجين، تكون درجة حرارة الانعكاس القصوى (623) كلفن، من الممكن تمامًا صنع النيتروجين السائل ببساطة عن طريق استخدام أسطوانة الضغط العالي من النيتروجين بدرجة حرارة الغرفة، وصمام (JT) والمبادلات الحرارية المناسبة التي تعمل على تبريد غاز درجة حرارة الغرفة ذات الضغط العالي بالغاز الذي تمدد عبر صمام (JT) وبالتالي يكون أكثر برودة.

لا تحتوي ثلاجات (Joule-Thomson) على أجزاء متحركة باردة ويمكنها العمل بشكل جيد مع السوائل التي تتغير من مرحلة واحدة إلى مرحلتين أثناء تمددها عبر صمام (JT)، قد تحتوي هذه الأجهزة أيضًا على نهايات باردة مصغرة ويمكن تصميمها لتبريد سريعًا إلى درجة حرارة التشغيل من درجة حرارة الغرفة، نظرًا لهذه المزايا، تمّ استخدام مسالات / ثلاجات (Joule-Thomson) في مجموعة متنوعة من التطبيقات في مجالات الطيران والدفاع والطب.

معامل جول طومسون – Joule Thomson Coefficient:

μ_JT=(∂T/∂P)H

يوضح الجدول التالي متى يبرد أو يسخن “تأثير جول-طومسون” الغاز الحقيقي:

تُعرف درجة حرارة الغاز التي لا يؤدي عندها انخفاض الضغط إلى أي تغيير في درجة الحرارة باسم “درجة حرارة الانعكاس”، يسخن الغاز عند التمدد ويبرد تحت درجة الحرارة هذه.

تطبيقات تأثير جول طومسون:

• أدى التبريد الناتج عن توسعة (Joule-Thomson) إلى جعلها أداة قيمة للغاية في التبريد.

• يتم تطبيق التأثير في تقنية (Linde) في صناعة البتروكيماويات، حيث يتم استخدام تأثير التبريد لتسييل الغازات.

• كما أنّها تستخدم في العديد من التطبيقات المبردة، على سبيل المثال لإنتاج النيتروجين السائل والأكسجين والأرجون.

• يمكن أيضًا استخدام التأثير لتسييل حتى الهيليوم.

ما هو المبدأ الأساسي لتأثير جول طومسون؟

يعتمد المبدأ الأساسي لتأثير جول طومسون على نقل الحرارة، أيضًا، عند درجة الحرارة والضغط العاديين، تخضع جميع الغازات الحقيقية للتوسع وتستخدم هذه الظاهرة في عملية تسييل الغازات، لكن هذا لا ينطبق على الهيدروجين والهيليوم، تُعرَّف درجة حرارة الانعكاس في “تأثير جول طومسون” على أنّها درجة الحرارة التي تتغير فيها علامة المعامل، “معامل جول طومسون” للغاز المثالي يساوي الصفر لأنّ المحتوى الحراري للغاز يعتمد على درجة الحرارة، أقصى درجة حرارة انقلاب للهيدروجين هي (200) كلفن ودرجة حرارة الانعكاس القصوى للهيليوم هي (24) كلفن.

جول طومسون قابل للتطبيق على غاز الهيدروجين ولكن في درجات حرارة منخفضة، هذا لأنّه عندما يكون في درجات حرارة أعلى، فإنّه على وشك التصرف كغاز مثالي.