پرسش

با سلام-لطفا در مورد ضریب ژول - تامسون و كاربرد های آن توضیح بفرمایید.ممنون

پاسخ

به نام خدا و با سلام کاربرد این ضریب بیشتر در یخچالها و سردکننده ها می باشد. در سیستم سرمایش یخچال یا دستگاههای تهویه یك چرخه وجود دارد به این ترتیب كه، یك حجم معین گاز درون محفظه‌ای جای گرفته است. یك كمپرسور یا فشرده كننده وجود دارد كه با صرف انرژی، این گاز را سرد كرده و به مایع تبدیل می‌كند. سپس این مایع، درون لوله‌هایی كه در یخچال تعبیه شده است به حركت درمی‌آید. این گاز طبق این اصل ترمودینامیك كه همواره تمایل برای رسیدن به حداكثر بی‌نظمی یا همان آنتروپی وجود دارد، تمایل دارد به حالت قبل خود یعنی حالت گاز برگردد. درنتیجه گرمای درون یخچال را گرفته و خود به صورت گاز درمی‌آید. این چرخه درون یخچال همواره ادامه دارد. اما كمپرسور یا فشرده‌كننده چگونه گاز را سرد می‌كند و دمای آن را پایین می‌آورد؟ این عمل بر اساس اثر ژول-تامسون اتفاق می‌افتد. ضریبی به نام ضریب ژول تامسون وجود دارد كه به صورت تغییرات دما نسبت به تغییرات فشار در انتالپی ثابت تعریف می‌شود: انتالپی ثابت ( تغییرات فشار / تغییرات دما ) = ضریب ژول تامسون برای هر گاز، ضریب فوق یك مقدار خاص دارد و مقدار این ثابت برای هر گاز، به ذات گاز برمی‌گردد. برای بیشتر گازها، به استثنای هلیم و هیدروژن، مقدار ضریب فوق، مثبت می‌باشد. بنابراین مشاهده می‌شود كه یكی از راههایی كه سبب می‌گردد حاصل یك تقسیم مثبت شود، این است كه مقدار صورت و مخرج كسر هر دو منفی باشد. صورت كسر منفی باشد یعنی T2-T1 مخرج كسر منفی باشد، یعنی اینكه p2-p1 پس در كمپرسور یخچال، اتفاقی كه می‌افتد این است كه، سیستمی كاملا" عایق بندی شده داریم. چنانچه فشار این سیستم را كم كنیم و گازی كه درون سیستم وجود دارد دارای ضریب ژول-تامسون مثبت باشد، چون فشار را كم كرده‌ایم، ناگهان دچار افت دمایی می‌شویم و دمای گاز خودبخود كم می‌شود. با این تكنیك می‌توان به دمای 3 درجه كلوین نیز دست یافت. وقتی دمای گاز با اندازه كافی سرد شد، آنگاه گاز وارد چرخه‌ای كه در بالا توضیح داده شد می‌شود و گرمای یخچال را می‌گیرد. در آزمایش مربوط به تعیین ضریب ژول-تامسون به این صورت انجام می شود كه سیستمی داریم منزوی، یعنی امكان تبادل گرما و كار با محیط ندارد. این سیستم به وسیله یك جداره كه دارای سوراخ های بسیار ریزی است، به دو قسمت تقسیم شده است. در دو طرف این سیستم دو دما و فشار نامساوی داریم، T1,T2,P1,P2 . در این سیستم، ضریبی تعریف می شود به نام ضریب ژول-تامسون كه ما می خواهیم ببینیم این ضریب، مثبت ، منفی یا صفر است. این ضریب به صورت تغییرات دما در اثر تغییرات فشار تعریف می شود: (T2-T1)/ (P2-P1 ) = ضریب ژول-تامسون طی انجام آزمایشاتی مشخص می شود كه این ضریب برای گازهای كامل صفر است، اما در عمل به دلیل برهم كنش بین ذرات گازها، گاز كامل نداریم و این ضریب ممكن است مثبت یا منفی باشد. اما در طی انجام آزمایش، فشار به صورت تدریجی كاهش می یابد این كاهش فشار، سبب می شود برای بیشتر گازها،دما نیز كاهش یابد. به استثنای ئیدروزن و هلیم كه در اثر افت فشار در شرایط آزمایش و در دمای معمولی دچار افزایش دما می شوند. اما هنگامی كه این گازها خیلی سرد شوند، به دمایی می رسیم كه خاصیت این دو گاز تغییر می كند و این دو گاز نیز در اثر افت فشار ، دچار افت دما می شوند. دمایی كه این خاصیت تغییر می كند، دمای وارونگی نامیده می شود. برای سرد كردن و رساندن ئیدروژن و هلیم به دمای وارونگی، از گاز نیتروژن استفاده می شود. گاز نیتروزن در اثر كاهش فشار در شرایط سیستم منزوی، را می توان به دمای 180- درجه سانتیگراد رساند. سپس نیتروژن سرد شده را با ئیدروژن برخورد می دهند تا به دمای زیر وارونگی برسد. بعد عمل انبساط یا كاهش فشار را برای ئیدروژن انجام می دهند. ئیدروژن بسیار سرد می شود، سپس هلیم را كه دمای وارونگی آن پایین تر است را با ئیدروژن برخورد می دهند تا به دمای وارونگی برسد. سپس عمل انبساط و افت فشار را برای هلیم انجام می دهند تا افت دما روی دهد. به این ترتیب به 3 درجه كلوین یا 270- درجه سانتیگراد می توان رسید. پیروز و سربلند باشید.