利用焦汤效应液化气体法获得低温

1、利用焦汤效应液化气体法获得低温论文导读：制冷技术是研究获得低温的方式及其机理和应用的科学技术。林德循环，利用焦汤效应液化气体法获得低温。关键词：低温，焦汤系数，林德循环1概述制冷技术是研究获得低温的方式及其机理和应用的科学技术，从广义上讲，但凡低于环境温度的都称为低温。低温技术不仅与人们当代高质量生活息息相关，同时与世界上许多尖端科学研究(诸如超导电技术、航天与航空技术、高能物理、受控热核聚变、远红外探测、精密电磁计量、生物学和生命科学等)密不可分。科技论文，林德循环。在超低温条件下，物质的特性会出现奇妙的变化：空气变成了液体或固体；生物细胞或组织可以长期贮存而不死亡；导体发生超导电现象和完全

2、抗磁现象，其电阻消失了，而磁力线不能穿过超导体；液体氦发生超流现象，黏滞性几乎为零，而且具有比高纯铜还好的导热性能。气体具有相当低的沸点，将气体液化可以获得低至的低温。具有目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来液化气体。2节流过程和焦耳汤姆孙效应 图1 节流阀 如图1所示，管子用不导热的材料包着，管子中间有一个多孔塞或节流阀。科技论文，林德循环。多孔塞两边各维持着较高的压强和较低的压强，于是气体从高压的一边经多孔塞不断地流到低压的一边，并到达定常状态。这个过程既称为节流过程。当气体在一绝热管道中流动时，假设遇到一狭窄的通道，例如图1中的多塞孔或节流阀，由于存在摩擦损耗，使压力显著

3、下降，体积膨胀，温度也会发生变化。这个效应称为节流效应。它是1852年，焦耳和汤姆孙在用多孔塞研究气体内能时发现的，因此也被称为焦耳汤姆孙效应。科技论文，林德循环。用热力学理论对节流过程进行分析。设在节流过程中有一定数量的气体通过了多孔塞。在通过多孔塞之前，其压强为，体积为，内能为；通过多孔塞后，压强为，体积为，内能为。该过程中外界对这局部气体所作的功为：因为过程是绝热的，根据热力学第一定律，有：即。由式可见，焦耳汤姆孙效应是一种等焓的绝热不可逆过程。定义图上的等焓线的斜率被称为焦汤系数：它表示在焓不变的条件下，气体温度随压强的变化率。取为状态参量，那么状态函数焓可表示为。利用偏导数之间的关系

4、以及热力学根本方程，可以得到：令，那么可化为：。式和便给出了焦汤系数与物态方程和等压热容量的关系。对于理想气体，其物态方程为：，于是有，从而 。可见在节流过程前后，理想气体温度不变。 图2 氮气节流过程的图 对于实际气体，可将其视为范氏气体，其物态方程为：。一般来说，是的函数，同时又与描述气体本身性质的参量有关，因此在节流过程前后，其温度可能升高也可能较低，其升高和降低的范围随气体种类的不同而有很大的差异。科技论文，林德循环。应对应图上的一条曲线，称之为反转曲线。在反转曲线的一侧，气体经节流过程后降温，称为制冷区；在反转曲线的另一侧，气体经节流过程后升温，称为制温区。利用节流过程的降温效应可以

5、使气体降温而液化。图2给出了氮气节流过程的图，图中虚线即为反转曲线，实线是对应不同焓值的等焓线。用昂尼斯方程分析焦汤系数，将昂尼斯方程展开到第二位力系数，可以得到：。其中，恒成立。在温度足够低时，分子间吸力显著使取负值，从而使；而当温度足够高时，斥力的影响使取正值，从而有可能使。可见，反转温度的存在时分子间吸力和斥力相互竞争的表现，它是实际气体偏移理想气体的结果。由前文所述，焦耳汤姆孙效应是一种等焓的绝热不可逆过程。因此实际中我们常用由实验测出的图上的等焓线来求节流过程中气体的温度变化。只要知道初态的温度、压强及终态的压强，即可由对应的等焓线确定终态的温度。需要注意的是：1)前文所提到的理想气

6、体，是经典理想气体，即气体分子间相互作用于量子统计效应都可以忽略的气体。对于弱简并的理想量子气体，即气体分子之间相互作用可以忽略的波色气体与费米气体，其物态方程为：其中为分子热运动的德布罗意波波长，为自旋引起的量子态简并度，。上式第一项代表经典理想气体状态方程，第二项代表量子关联效应。与式联立，便可以得到理想量子气体的焦汤系数：。科技论文，林德循环。因为，所以焦汤系数的正负取决于等式前面的正负号。科技论文，林德循环。易知，对于波色气体，；对于费米气体，。与式后的论述进行比照，上述结果是可以理解的。对于波色气体，统计关联使得气体分子之间具有等效的吸引作用，因此焦汤系数大于；对于费米气体，统计关联

7、使得气体分子之间具有等效的排斥作用，焦汤系数小于。其反转温度的存在，也是理想量子偏移经典理想气体的结果。2)严格意义上来说，实际中节流过程并不是等焓过程。这是由于过程中的任一中间状态均不是平衡态，因此在状态图上不能以一个点表示，其焓不能用来表示，其状态变化并不沿着等焓线变化。3低温的获得 图3 林德循环示意图 利用焦耳汤姆孙效应，使气体工作在制冷区，进行节流过程，从而到达降温的目的。节流过程是一等焓过程，因此该方法称为等焓节流。焦汤系数的典型大小是，可以令节流过程重复经行，并通过逆流热交换机预冷后来进入的气体，积累各次节流膨胀的冷却效应。林德循环，便是基于这一原理设计的。图3为林德循环示意图。它利用等焓节流使空气冷却至附近。到达液体沸点后，可以使液化气体迅速蒸发或者低压沸腾，在此过程中，已经液化的气体将大量吸热，从而进一步降温。然而气体的饱和蒸汽压随温度降低而迅速减小，因此节流膨胀制冷存在极限，其极限在左右。目前使用抽气的方法所能到达的最低温度是，这是通过对氦的同位素液化后抽气降温到达的。4总结前文讨论了利用节流过程液化气体获得低温的原理，介绍了利用焦汤效应获得低温的主要方法。进一步获得低温，可以通过液绝热膨胀等方法继续液化气体。液化气体获得低温的方法，其下限温度在左右。要获得更低的温度，可以采用绝热去磁制冷和激光制