§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应
水蒸气的焦耳汤姆孙效应
水蒸气的焦耳汤姆孙效应
水蒸气的焦耳-汤姆孙效应是指气体通过多孔塞膨胀后所引起的温度变化现象。
当水蒸气通过多孔塞膨胀后，会引起其温度发生变化。
这个效应是由英国物理学家J.P.焦耳和W.汤姆孙发现的，并且是气体动力学的一个重要概念。
在水蒸气的焦耳-汤姆孙效应中，气体通过多孔塞膨胀后，其温度会发生变化。
这个变化与气体的种类、多孔塞的形状和气体的压力等因素有关。
在等熵膨胀过程中，气体的温度会降低；而在等焓膨胀过程中，气体的温度则可能升高或降低。
这个效应在许多领域都有应用，例如在喷管和扩压管的设计中，需要考虑焦耳-汤姆孙效应对气体温度的影响。
此外，在燃气轮机、内燃机和火箭发动机等热力发动机的设计中，也需要考虑这个效应对气体温度和发动机性能的影响。
总之，水蒸气的焦耳-汤姆孙效应是一个重要的气体动力学概念，在许多领域都有应用。
了解这个效应的基本原理和影响因素，可以帮助我们更好地设计和优化热力发动机和其他相关设备。
焦耳汤姆逊效应作用
焦耳汤姆逊效应作用焦耳汤姆逊效应（Joule-Thomson effect）是指当某种气体在压力变化时，同时被限制在绝热条件下通过一个孔隙或窄缝时，会出现温度变化的现象。
该效应得名于英国科学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳和威廉·汤姆孙，他们在1852年首次观察到此现象。
焦耳汤姆逊效应的物理原理是热力学中的可逆绝热过程。
当气体通过一个孔隙或窄缝时，其分子会发生势能和动能的交换。
在压力减小的过程中，气体分子的动能转化为势能，使其速度和动量减小。
由于气体分子的动能与温度直接相关，这种减小的动能会导致气体的温度降低。
相反，在压力增加的过程中，气体分子的势能转化为动能，导致气体升温。
焦耳汤姆逊效应在很多领域都有重要的应用。
下面是一些与焦耳汤姆逊效应相关的应用：1. 制冷技术：焦耳汤姆逊效应被广泛应用于气体制冷技术。
当高压气体通过节流阀放松至低压时，气体温度降低，从而实现制冷效果。
这种原理常被用于家庭和商业中的制冷设备，如冰箱和空调。
2. 天然气液化：焦耳汤姆逊效应在天然气液化过程中起到关键作用。
天然气通常在高压下输送，但要将其转化为液态以提高储运的效率。
通过利用焦耳汤姆逊效应，在适当的压力和温度条件下，气体能够迅速冷却并液化。
3. 超低温实验：焦耳汤姆逊效应也被用于实验室研究中的超低温实验。
通过将气体通过窄小的管道，可以使气体温度降低到非常低的程度，用于冷冻和研究极低温下的物质特性。
4. 燃料电池：燃料电池是一种将化学能转化为电能的设备。
焦耳汤姆逊效应被用来控制和调节燃料电池中氢气和氧气的温度，以提高电池的效率和性能。
总结起来，焦耳汤姆逊效应是在可逆绝热条件下气体通过孔隙或窄缝时产生的气体温度变化现象。
它不仅在制冷技术中有广泛应用，还在天然气液化、超低温实验和燃料电池等领域发挥着重要作用。
通过研究焦耳汤姆逊效应，我们可以更好地理解气体的物理性质，并将其应用于解决实际问题。
汤姆逊效应—搜狗百科
汤姆逊效应—搜狗百科
1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。
1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。
1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。
1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。
汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。
在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。
或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。
这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。
焦耳—汤姆逊阀制冷原理
焦耳—汤姆逊阀制冷原理节流膨胀（Throttling Expansion）也叫焦耳—汤姆逊膨胀，即较高压力下的流体（气或液）经多孔塞（或节流阀）向较低压力方向绝热膨胀过程。
1852年，焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。
多孔塞两边的压差维持恒定。
膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。
他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2<T1)。
如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。
调节阀在管道中起可变阻力的作用。
它改变工艺流体的紊流度或者在层流情况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或“摩擦”所引起的。
这一压力降低过程通常称为“节流”。
对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非理想程度(焦耳一汤姆逊效应)。
在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。
根据热力学原理，在焦耳-汤姆逊实验中系统对环境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分别为始态和终态的体积。
Q=0，故ΔU=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。
所以焦耳-汤姆孙实验的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程。
由于理想气体的焓值只是温度的函数，即焓值不变温度不变，故理想气体节流前后温度不变。
对于实际气体，其比焓是温度和压力的函数，即比焓受温度和压力的共同影响，又节流过程焓值不变，则压力降低，温度就会变化。
焦耳-汤姆逊（开尔文）系数可以理解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。
μJT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。
当μJ.T是正数是，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。
焦耳-汤姆逊效应PPT课件
T2 T1
p2 p1
JT(H ,
p)dp；若JT =常数，DT
JTDp
用上式计算温度变化，除非JT是常数，否则需要将 JT表示为焓的函数以保证焓不变，不方便。
H, p1, T1 节流
H, p2, T2 用恒温和恒
ΔH1
ΔH 2
H中, p2, T1
压过程代替 节流过程！
ΔH1 ΔH2
p2
p1
焦耳-汤姆逊效应
在绝热条件下流体的始末态分
1.节流过程
别保持恒定压力的膨胀过程。
(throttling process)
多孔塞
焦耳实验
焦耳-汤姆逊效应
节流过程是不可逆过程
1.节流过程 Q 0
(throttling process) 将两个活塞之间的所有
气体取作系统，总热力
学能就是多孔塞两侧气
体热力学能之和：U U1 U2
406 J
DH1 恒压升温
例：100℃，101.325kPa 的1mol He 与0℃，101.325kPa 的0.5molO2 按下面（如图所示）两种方式混合，试求混 合后的温度及DS。设He 和O2 均可视为理想气体。
例：100℃，101.325kPa 的1mol He 与0℃，101.325kPa 的 0.5molO2 按下面（如图所示）两种方式混合，试求混合后的温度 及DS 。设He 和O2 均可视为理想气体。
气体经节流后焓不变
2. 焦耳-汤姆逊系数(Joule-Thomson coefficient)
H , p1, T1 节流
可逆恒焓
H , p2, T2
用可逆恒焓 过程代替节 流过程！
可逆pVT变化可以用微分式表示：
焦耳-汤姆孙效应：δt+=+-qcm教学
根据实验数据绘制出温度随压力变化的曲线图 ，可以观察到在特定压力范围内，气体温度随 压力的降低而降低的现象。
讨论
探讨实验误差的来源以及改进实验方法的途径 ，以提高实验精度和可靠性。同时，可以讨论 焦耳-汤姆孙效应在实际应用中的意义和价值。
ONE
5
焦耳-汤姆孙效应影响因素研究
流体性质对效应影响 分析
单击此处添加小标题
数据处理
单击此处添加小标题
通过温度计和压力计实时监测 气体在多孔塞膨胀过程中的温 度和压力变化，并将数据传输
至数据采集系统。
单击此处添加小标题
对采集到的温度和压力数据进 行整理、分析和拟合，以得到 焦耳-汤姆孙效应中温度随压力
变化的定量关系。
实验结果分析与讨论
结果分析
结合焦耳-汤姆孙效应的理论公式和实验数据， 分析气体在多孔塞膨胀过程中内能的变化以及 温度随压力变化的原因。
阀门口径选择
通过调节阀门开度，控制流体通过阀 门的流速，进而调节节流过程中的温 度变化。
阀门开度调节
选择耐高温、耐腐蚀的阀门材质，以 适应不同流体性质和工况要求。
阀门材质选择
环境条件变化时效应变化规律探讨
温度变化
01
环境温度升高时，气体分子的热运动加剧，导致节流过程中的
温度变化更为显著。
压力变化
02
比热容c反映了气体对温度变化的敏感程度。 比热容越大，相同的质量流量和比焓变化量 下，气体的温度变化量越小；反之，比热容 越小，气体的温度变化量越大。
ONE
4
实验验证焦耳-汤姆孙效应
实验器材材：需要准备气体钢瓶、多孔塞、绝
热材料、温度计、压力计和数据采集系统等
。
环境压力变化时，气体的压缩性发生变化，从而影响节流过程
焦耳-汤姆孙效应（Joule-Thomsoneffect）
焦耳-汤姆孙效应（Joule-Thomson effect）气体通过多孔塞时所发生的温度变化现象，也可泛指较高压强气体经过多孔塞、毛细管、节流阀（通径很小的阀门）等装置降为低压气体时发生的温度变化现象。
这是由焦耳和汤姆孙（即开尔文（Kelvin））最早于1852年在研究气体内能的性质时所发现的，人们称它为焦耳-汤姆孙效应，也称为节流效应、焦-汤效应。
焦耳-汤姆孙效应是一种等焓的绝热不可逆过程。
它表示气体在初态时的焓H1=U1+p1V1等于在终态时的焓H2=U2+p2V2（U1、p1、V1及U2、p2、V2分别为气体在初态及终态时的内能、压强及体积），但在中间经历的状态均不是平衡态，对于这些中间状态，不能用H=U+pV来表示。
理想气体在节流前后的温度不变，实际气体的温度可升高也可降低，其升温降温的范围随气体种类不同而有很大差异，其温度改变情况通常利用由实验测出的在T-p图中的等焓线求出。
图中一条条接近水平的曲线表示了某种气体的等焓线。
每一条等焓线上的焓值均相同。
节流过程中只要能定出初态时的温度、压强及终态时的压强，即可由所对应的等焓线确定终态的温度。
应注意，节流过程虽是等焓过程，但其状态变化并不沿等焓线变化，因为节流的任一中间状态均不是平衡态，均不能在状态图上以一个点表示其状态。
T-p图中等焓线的斜率称为焦耳-汤姆孙系数（也称节流系数、焦-汤系数），以μ表示：图中任一条等焓线的最高点处的μ=0，把这些点联结起来的曲线称为转换曲线，在图中以虚线表示。
在转换曲线以内的区域μ＞0，称为节流致冷区；转换曲线以外区域μ＜0，称为节流致热区。
转换曲线中温度最高的那一点的温度称为转换温度。
节流膨胀致冷是在致冷流程中广为使用的一种降温手段，与（可逆）绝热膨胀致冷比较，降温效果前者不如后者。
但由于节流膨胀设备十分简单，无运动系统，操作简单（甚至不需操作），特别当降温到足够低温度其气体被液化时，不会在气缸中发生所谓“水击”现象（绝热膨胀降温要使用气缸，若已被液化的液体不能及时排出气缸会使膨胀机起水压机作用，从而损坏机械），因而通常只使用节流降温而不使用绝热膨胀降温。
焦耳实验和 焦耳-汤姆 孙实验 资料大学精品课程.ppt
焦耳实验可用焦
耳系数描述。
=(T/v)u
=(u/v)T/Cv.
焦耳－汤姆孙实 验可用焦耳－汤姆
孙系数描述。
=(T/p)h
=(h/p)T/Cp.
理想气体在焦耳实 验中温度不变。
T=0. =0.
这表明理想气体的内 能只是温度的函数。
理想气体在焦耳－汤 姆孙实验中温度不变。
T=0. =0.
这表明理想气体服从焦 耳定律，但出入不 大；有焦耳效应， 却不显著。
焦耳－汤姆孙实验 表明：实际气体既不 服从焦耳定律，又不 服从理想气体物态方 程；通常不出现零效 应。
范德瓦耳斯气 体在焦耳实验中 温度将下降。
T0. 0.
范德瓦耳斯气体 在焦耳－汤姆孙实 验中温度既可能降 低，又可能升高、 还可能保持不变。
焦耳实验和焦耳汤姆孙实验焦耳实验和焦耳汤姆孙实验都是研究气体内能的著名实验
焦耳实验和 焦耳－汤姆
孙实验
焦耳实验和焦 耳－汤姆孙实验 都是研究气体内 能的著名实验。
焦耳实验是绝热 自由膨胀过程，是 等内能过程。
U=0. v0.
焦耳－汤姆孙 实验是绝热节流 膨胀过程，是等 焓过程。
H=0. p0.
焦耳汤姆逊效应制冷原理
焦耳汤姆逊效应制冷原理
焦耳-汤姆孙效应是指当电流通过两种不同材料之间的接触界面时，会产生温度差异。
根据热力学第一定律，电流通过界面时会产生焦耳热，使一侧的温度升高，而另一侧的温度降低。
基于焦耳-汤姆孙效应的制冷原理，可以通过将电流通过一个闭合电路，使电流通过两种不同材料构成的接触界面，从而实现制冷效果。
具体步骤如下：
1. 将两种不同材料构成一个闭合电路，其中一种材料具有较低的电阻，称为冷端材料，另一种材料具有较高的电阻，称为热端材料。
2. 通过外部电源将电流输入电路，使电流在冷端和热端之间流动。
3. 根据焦耳-汤姆孙效应，当电流通过冷热界面时，会产生焦耳热，使冷端的温度升高，而热端的温度降低。
4. 将冷端与待制冷的物体相连，使热量从待制冷物体传递到冷端材料，从而实现制冷效果。
5. 同时，热端材料的温度降低后，可以通过散热方式将热量传递到环境中。
需要注意的是，焦耳-汤姆孙效应制冷原理由于热量需要通过导热方式传递，因此制冷效果相对较低，适用于一些低温要求不高的场合。
此外，材料的选择和电流的控制也会对制冷效果产生影响。
焦汤效应
3
这种在绝热条件下，高压气体经过多孔塞小孔、通径很 小的伐门、毛细管等流到低压一边的稳定流动过程称为节流 过程。目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实现节 流膨胀的。
1
两端 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:
• 外界对定量气体所作的净功为
W W1 W2 p1V1 p2V2
• 注意到绝热过程 Q = 0，则热一律
U Q W U2 U1 p1V1 p2V2
H1 H 2 绝热节流过程前后的焓不变。
1、所有的理想气体在节流过程前后的温度都不变。 这已被实验所证实。
2、对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升 高，称为负节流效应。
§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应 (Joule-Thomson effect) 大多数制冷机都是通过工(作媒)质气体液化来获得低温
热源，通过液化工质的蒸发吸热来提供制冷量的 。 气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应
( throttling effect)。
实验发现：多孔塞两边的气 体的温度一般并不相等，温 度差异和气体种类及多孔塞 两边的压强数值有关。
V1 V2,T1 T2, P1 P2 设气体都在左边时的内能为U1 ， 气体都在右边时的内能为U2 。气体穿 过多孔塞过程中，左边活塞对它作功, 气体推动右边活塞作功：
W1 p1 A1l1 p1V1 W2 p2 A2l2 p2V2
2
W1 p1A1l1 p1V1 W2 p2 A2l2 p2V2
焦耳-汤姆孙实验比焦耳实验好在哪里
焦耳－汤姆孙 焦耳－ 实验比焦耳实 验好在哪里？ 验好在哪里？
一、焦耳－汤姆孙实 焦耳－ 验是在稳态下进行测量 即使温度只有0.1K 的，即使温度只有0.1K 的改变，也可以准确地 的改变， 测出来； 测出来；而焦耳实验则 不然。 不然。
二、焦耳－汤姆孙 焦耳－ 实验中温度的改变常 常比焦耳实验中温度 的改变要大一些，更 的改变要大一些， 容易被准确地测量。 容易被准确地测量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
范德瓦耳斯气 体的摩尔内能为 u=u0+CvT−(a/v). a/v)
范德瓦耳斯气体 的焦耳系数为 λ=(∂T/∂v)u =(∂T/∂ =−(∂u/∂v)T/Cv u/∂ 2). =−a/(Cvv a/(
当v→∞时， λ→0. →∞时 由此可见， 由此可见，极稀薄的 实际气体在焦耳实验 中将得到和理想气体 相同的结果。 相同的结果。
范德瓦耳斯气体的 摩尔焓为 h=u0+(Cv+R)T +(C (2a/v) RTb/( )]. −(2a/v)+[RTb/(v−b)].
范德瓦耳斯气体的焦耳－汤 范德瓦耳斯气体的焦耳－ 姆孙系数为 =(∂T/∂ α=(∂T/∂p)h =−(∂h/∂p)T/Cp h/∂ =−(b/Cp){(T°/T)[1−(b/v)]2−1}/ ){(T /T)[1− b/v)] 1}/ 2(b/v)]−1}. {[(T /T)[1− b/v)] {[(T°/T)[1−(b/v)] b/v)]−
当v→∞时，b/v→0，因 →∞时 [(T /T) 1]/C 而 α→b[(T°/T)−1]/Cp. 由此可见，除非T=T° 由此可见，除非T=T°= 2a/(Rb)，否则极稀薄的实 /(Rb) 否则极稀薄的实 际气体在焦耳－ 际气体在焦耳－汤姆孙实 验中将得到和理想气体不 同的、非零的结果。 同的、非零的结果。
天然气的焦耳-汤姆孙效应
天然气的焦耳汤姆孙效应天然气的焦耳-汤姆孙效应天然气是一种极其重要的可再生能源，它的发展对于实现世界可持续发展具有重要意义。
然而，由于天然气分子具有很高的活性，在天然气储存、输送和使用过程中，它们很容易发生反应，从而形成焦耳。
这就是所谓的汤姆孙效应，是天然气反应性的一种表现形式。
汤姆孙效应是由英国化学家威廉·汤姆·孙在19世纪末发现的，他发现天然气在高温下会发生反应，形成焦耳，这种反应叫做汤姆孙效应。
汤姆孙效应是天然气储存、输送和使用过程中常见的问题，它可以造成严重的经济损失，也会影响到天然气的安全性。
汤姆孙效应的机制是由于天然气的活性，它们可以与温度和压力变化而变化，从而产生反应。
根据反应机理，汤姆孙效应包括化学催化反应和物理催化反应两种形式。
化学催化反应是指天然气中的气体分子，通过活性中间体的形成，形成反应物，从而形成焦耳。
物理催化反应是指在高温、高压和有机物的影响下，天然气中的气体分子受到外部刺激而发生反应，从而形成焦耳。
另外，汤姆孙效应还受到其他因素的影响，如催化剂、氧化剂和水的存在。
这些因素可以加速汤姆孙效应的发生，从而对天然气的安全性产生负面影响。
为了有效地控制汤姆孙效应，业界应采取一些有效的措施，如采用新型低活性分子来改善储存、输送和使用过程中的安全性，采用高效的氧化剂，减少水的含量，采用新型催化剂等。
当然，要有效地控制汤姆孙效应，还需要改善天然气的质量，主要是改善天然气的温度和压力，减少其中悬浮物的含量，提高天然气的纯度等，以避免汤姆孙效应的发生。
总之，汤姆孙效应是天然气反应性的一种表现形式，可能会对天然气的安全性产生负面影响，因此，需要采取有效的措施来控制汤姆孙效应，以确保天然气的安全性。
热学热力学第一定律
二、热量 Q ： （系统与外界接触但无宏观位移） 1、热量的实质：
当系统和外界之间存在温差时，
T1
Q
通过传热方式发生的能量传递。 微观实质：分子无规则运动的能量
T1 < T2
T2
（内能）从高温物体向低温物体传递。
2、热量的计算： 1mol 物质温度升高（降低）1K 所吸收（放出）的热量。
摩尔热容 C = d Q dT
是温度的单值函数： U = U ( T )
注：内能是一个相对量，实际有意义的是内能的变化量。
作功 3. 改变内能的两种方式：
热传递
二、 热力学第一定律：（1850年）
系统在某一过程中从外界吸收的热量等于系统内能的 增量与系统对外界作功之和。
Q = ΔU + W
热力学第一定律
系统 系统内能 系统对 吸热 量增量 外作功 说明
（无摩擦）
M
理想气体
p2 ,V2 ,T2 变化足够缓慢 p1 ,V1 ,T1
M
理想气体
p2 ,V2 ,T2 p1 ,V1 ,T1
中间态为非平衡态
中间态为平衡态
例2：准静态传热过程(温差无限小)。 热库或热源(热容量无限大、温度不变)。
系统 T1
系统 （T1）直接与 热源 （T2）有限温差传热的 T2 热传导为非准静态过程
任何物体在等体过程中吸收
c
a
e
T+dT
T
的热量就等于它内能的增量。 0
V
定体热容
CV
= lim ( ΔQ )V ΔT →0 ΔT
= lim ( ΔU )V ΔT →0 ΔT
= ⎜⎛ ∂U ⎟⎞ ⎝ ∂T ⎠V
CV
,m
焦耳汤姆孙效应原理
焦耳汤姆孙效应原理
"焦耳汤姆孙效应"（Joule Thomson effect）是指当气体或液体在一个封闭的系统中通过绝热节流装置（如阀门或孔隙）时，由于节流装置的局部压力降低，使得流体的温度下降的现象。
这个效应是以英国物理学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule）和威廉·汤姆孙（William Thomson，也被称为开尔文勋爵）的名字命名的，因为他们对这一现象做
出了重要贡献。
焦耳汤姆孙效应的原理可以用以下几个步骤来解释：
1. 流体在节流装置前后的压力发生变化，根据伯努利原理，流速增加的同时，压力降低。
2. 由于节流装置处压力降低，流体分子的平均动能增加，导致温度升高。
然而，由于节
流过程是绝热的，即没有热量交换，流体的内能不变。
3. 根据热力学第一定律，系统内能的变化等于外界对系统做的功加上系统吸收的热量。
在绝热节流过程中，系统内能不变，因此外界对系统做的功必须转化为系统的冷量，即流体的温度下降。
4. 这个冷量表现为节流后流体的温度低于节流前的温度。
这个现象在制冷技术中非常有用，是制冷循环中的一个重要过程。
焦耳汤姆孙效应在工程应用中非常广泛，尤其是在制冷和空调技术中，它被用来解释制冷剂在压缩机和节流装置（如膨胀阀）中的温度变化。
此外，这个效应也是喷气发动机工作原理的一部分。
制冷涡流管的原理
制冷涡流管的原理
制冷涡流管是一种制冷设备，利用磁场和电流产生的磁场相互作用来实现制冷。
制冷涡流管的原理基于两个物理效应：涡流效应和焦耳-汤姆孙效应。
涡流效应是指当一个导体材料在变化的磁场中时，由于电磁感应的作用，导体内部会产生涡流。
这些涡流对导体材料的表面有较大的热量损耗，从而实现制冷效果。
焦耳-汤姆孙效应是指当电流通过一个导体时，导体将发生热量损耗。
将导体材料放置在磁场中，通过通电产生的电流和磁场相互作用，使导体产生热量，同时通过专门的冷却系统，如冷却水或制冷剂的流动，带走导体的热量，从而实现制冷效果。
制冷涡流管结构上由两个导体层和一个绝缘层组成。
当通电后，在磁场的作用下，导体层内部会产生涡流，导致制冷效果。
同时，冷却系统会将产生的热量带走，保持制冷涡流管的稳定运行。
制冷涡流管具有工作温度范围广、制冷效果好、体积小、噪音低等优点，被广泛应用于冷却电子设备、医疗设备、微波通信系统等领域。
焦耳—汤姆逊阀制冷原理
焦耳—汤姆逊阀制冷原理节流膨胀（Throttling Expansion）也叫焦耳—汤姆逊膨胀，即较高压力下的流体（气或液）经多孔塞（或节流阀）向较低压力方向绝热膨胀过程。
1852年，焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。
多孔塞两边的压差维持恒定。
膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。
他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2<T1)。
如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。
调节阀在管道中起可变阻力的作用。
它改变工艺流体的紊流度或者在层流情况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或“摩擦”所引起的。
这一压力降低过程通常称为“节流”。
对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非理想程度(焦耳一汤姆逊效应)。
在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。
根据热力学原理，在焦耳-汤姆逊实验中系统对环境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分别为始态和终态的体积。
Q=0，故ΔU=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。
所以焦耳-汤姆孙实验的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程。
由于理想气体的焓值只是温度的函数，即焓值不变温度不变，故理想气体节流前后温度不变。
对于实际气体，其比焓是温度和压力的函数，即比焓受温度和压力的共同影响，又节流过程焓值不变，则压力降低，温度就会变化。
焦耳-汤姆逊（开尔文）系数可以理解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。
μJT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。
当μJ.T是正数是，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。
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高压 低压
多孔塞
•实验发现，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并 不相等， •温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强的数 值有关。
绝热条件下，高压气体经过多孔塞、小孔、通径 很小的阀门、毛细管等流到低压一边的稳定流动 过程称为节流过程。 目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实现节 流膨胀的。
称为负节流效应。它们只有在足够低温度下才呈现正
节流效应。
用以研究节流过程的等焓线
W1 p1A1l1 p1V1 W2 p2 A2l2 p2V2
• 外界对定量气体所作的净功为
W W1 W2 p1V1 p2V2
注意到绝热过程 Q = 0，则由第一定律
U Q W U 2 U1 p1V1 p2V2
绝热节流过程前后的焓不变 H1 H 2
• 理想气体在节流过程前后的温度都不变。为什么? • 但是一般气体在常温下节流会致冷。 • 低温工程利用节流致冷效应来降低温度。 • 但对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高，
§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应
• 使物体温度降低的常用方法有下列五种：
• ① 通过温度更低的物体来冷却； • ② 通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释
热等)来降温； • ③ 通过绝热膨• 大多数制冷机都是通过（工作媒质）气体液化来获
得低温热源，通过液化工质的蒸发吸热来提供制冷量 的。 • 气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。 • 本节中专门介绍焦耳 - 汤姆逊效应,也称节流效应。 • 下图为焦耳 - 汤姆逊实验示意图。
•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 V1 变为 V2 ，p1 变为 p2 ,T1 变为 T2 。
•设气体都在左边时的内能为 U1 ， •气体都在右边时的内能为 U2 。
•气体全部穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体作功,
W1 p1 A1l1 p1V1
•气体推动右边活塞作功 W2 p2 A2l2 p2V2
高压 低压
多孔塞
下面讨论多孔塞实验,如图所示。 • 两端开口的绝热气缸中心有多孔塞，多孔塞两侧维持
不同压强 p1 p2 。
• 图（a）是节流前多孔塞左边的活塞尚未运动时气体的 热力学状态（初态）。
• 图（b）是活塞将气体全部压到多孔塞右边时气体的状 态（末态）。
显然,气体在中间经历的都是 非平衡态。 （为什么?）