ДЖОУЛЯЛЕНЦА ЗАКОН

ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ЗАКОН, определяет количество тепла Q, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрич. тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I в цепи и времени прохождения тока t, Q=aI²Rt. Здесьа - коэфф. пропорциональности, зависящий от выбранных единиц измерения; если I измеряется в амперах, R - в омах, t - в секундах, то при а=0,239 Q выражено в калориях, при а - 1-в джоулях. На Д.-Л. з. основан расчёт электроосветит. установок, на-греват. и отопит, электроприборов.

Д.-Л. з. установлен в 1841 англ. физиком Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 русским учёным Э. X. Ленцем.

ДЖОУЛЯ-ТОМСОНА ЭФФЕКТ,

изменение темп-ры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель - местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой (адиабатически).

Д.- Т. э. был обнаружен и исследован англ, учёными Дж. Джоулем и У. Томсоном в 1852-62. В опытах Джоуля и Томсона измерялась темп-pa в двух последоват, сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 1). Значит, трение газа в дросселе (мелкопористой пробке из ваты) делало скорость газового потока ничтожно малой, так что при дросселировании кинетич. энергия потока была очень мала и практически не менялась. Благодаря низкой теплопроводности стенок трубы и дросселя теплообмен между газом и внеш. средой отсутствовал. При перепаде давления на дросселе Др=р₁-р₂, равном 1 атмосфере (1,01 * 10⁵н/м²), измеренная разность темп-р ДТ = Т₂-Т₁ для воздуха составила - 0,25°С (опыт проводился при комнатной темп-ре). Для углекислого газа и водорода в тех же условиях AT оказалась, соответственно, равной - 1,25 и + 0,02°С.

Рис. 1. Схема опыта Джоуля - Томсона. В теплоизолированной трубке создаётся стационарный проток газа. После прохождения газа через дроссель его давление р, уд. объём V н температура Т изменяются.

Д.- Т. э. принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (ДТ<0), и отрицательным, если газ нагревается (ДТ>0).

Согласно молекулярно-кинетич. теории строения вещества, Д.- Т. э. свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия (обнаружение этих сил было целью опытов Джоуля и Томсона). Действительно, при взаимном притяжении молекул внутр. энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетич. изоляции не меняет его внутр. энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, темп-pa расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к Д.- Т. э., сложнее, т. к. газ не изолирован энергетически от внеш. среды. Он совершает внеш. работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внеш. давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетич. баланса в опытах Джоуля-Томсона. Работа продавливания через дроссель порции газа, занимающей до дросселя объём V₁, равна p₁V₁. Эта же порция газа, занимая за дросселем объём V₂, совершает работу р₂V₂ Проделанная над газом результирующая внеш. работа A =p₁V₁-p₂V₂может быть как положит., так и отрицат. В адиабатич. условиях она может пойти только на изменение внутр. энергии газа: A =U₂-U₁. Отсюда, зная уравнение состояния газа и выражение для U, можно найти ДТ.

Величина и знак Д. - Т. э. определяются соотношением между работой газа и работой сил внеш. давления, а также свойствами самого газа, в частности размером его молекул.

Для идеального газа, молекулы к-рого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие между собой, Д.- Т. э. равен нулю.

В зависимости от условий дросселирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться. Темп-pa, при к-рой (для данного давления) разность ДТ проходя через нулевое значение, меняет свой знак, называется температурой инверсии Д.-Т. э. Типичная кривая зависимости темп-ры инверсии от давления показана на рис. 2. Кривая инверсии отделяет совокупность состояний газа, при переходе между к-рыми он охлаждается, от состояний, между к-рыми он нагревается.

Рис. 2. Кривая инверсии азота. В пределах кривой эффект Джоуля - Томсона положителен (ДТ<0), вне кривой -

отрицателен (ДТ>0). Для точек на самой кривой эффект равен нулю.

Значения верхних темп-р инверсии (Т_i,mах, рис. 2) для ряда газов приведены в таблице.

Газ

СО₂

Аr

N₂

H₂

Не

Воздух

Т_i,mах.,K

1500

723

621

202

50

603

Д.- Т. э., характеризуемый малыми значениями ДТ при малых перепадах давления Др, называют дифференциальным. При больших перепадах давления на дросселе темп-pa газа может изменяться значительно. Напр., при дросселировании от 200 до 1 атмосферы и начальной темп-ре 17 °С воздух охлаждается на 35 °С. Этот интегральный эффект положен в основу большинства технич. процессов сжижения газов.

Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М., Курс общей физики. Механика и молекулярная физика, М., 1965; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.-Л., 1952.

И. А. Яковлев.