气体的节流过程和绝热膨胀过程.doc

绵阳师范学院本科生毕业论文（设计）题 目 气体的绝热膨胀和节流过程探讨专 业 物理学 院 部 物理与电子工程学院 学 号 0709420424 姓 名 李飞 指导教师 廖碧涛讲师 答辩时间 2011年5月 论文工作时间：2010年 11月至 2011 年 05月绵阳师范学院2011届本科毕业设计（论文）气体的绝热膨胀过程和节流过程探讨学 生：李飞 指导教师：廖碧涛摘 要：目前低温技术越来越受到人们的关注， 低温制冷技术已经广泛应用于气 象，军事，航空航天，低温电子技术，低温医学领域等气体的绝热膨胀和节流 过程是获得低温的两种途径在绝热的条件下高压气体经过多孔塞或节流阀流到 低压一边的稳定流动过程称为节流过程测量气体在多孔塞或节流阀两边的温度 表明，在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦耳-汤姆逊效应， 简称焦-汤效应这是焦耳和汤姆逊在1852年用多孔塞实验研究气体内能时发现 的绝热膨胀是指与外界没有热量交换，但气体对外界做功，气体膨胀根据热 力学第一定律，可证明这是等熵过程，在这个过程中气体体积增大，压强降低， 因而温度降低所以绝热膨胀经常用于降低气体的温度，起到冷冻的效应。

本 篇文章主要是对理想气体和范德瓦耳斯气体在节流过程和绝热膨胀两种过 程中热力学特征以及各状态函数变化的研究，得出各状态参量的变化情况 加深对节流过程和绝热膨胀过程的理解和认识节流过程和绝热膨胀过程 制冷都有着各自的优点和缺点，将节流过程和绝热膨胀过程结合使用可以 充分弥补各自的缺点，发挥优点，达到极好的制冷效果，获得低至 1K的低温目前节流过程和绝热膨胀过程被广泛运用与化工生产中关键词 低温； 绝热膨胀； 节流过程；焦耳一汤姆孙效应#绵阳师范学院2011届本科毕业设计（论文）The Insulation the Expansion Process and in The Throttling process toUn dergraduate: Li feiSupervisor: Liao BitaoAbstract: At prese nt tech no logy has bee n gett ing atte nti on. Temperatures refrigerati on tech no logy is widely applied to meteorological, military, the cooler the air space and tech no logy, medici ne, etc. low temperatures. Of hot gas expa nds and throttli ng process is a low temperature two ways!n the insulation of high pressure gas after the plug or throttli ng the valve to the stability of the low side of the curre nt process is called the throttling process. the gas or throttling the valve in the plug on the temperature that, in the throttli ng process, the temperature of the gas has cha nged, the effect is called joule - thomps on, short dark - soup joule and effect. thomps on is in the membrane in the plug experimental research on the gas can find. insulation expansion is from outside world and no calories But gas to do work, expansion of gases. according to law of thermodynamics to the first, but that this is the process of entropy, volume of gas, lower pressure and temperatureis lower. therefore, the insulation is often used for lowering the temperature of the gas, to freeze effect. this article is in an ideal gas and vande gas in the throttling process and the insulation the expansion process thermod yn amics characteristics and the con diti on fun ctio n That the state the throttling process and the insulation. the expansion process of refrigeration have their respective adva ntages and disadva ntages, will the throttli ng process and the in sulati on the expa nsion process can be used for their faults and virtues, a chilli ng effect, the low temperatures. in addition, 1k in temperatures constant concern and to explore tech no logy, The throttli ng process and the in sulatio n the expa nsion process was widely used and chemical producti on.Key words: Temperatures Insulation expansion； The throttling process Joule and tom effect.目录引言 11节流过程和绝热膨胀过程 11.1节流过程 11.1.1节流过程的定义及特征 11.1.2焦耳-汤姆逊效应 21.2绝热膨胀过程 41.2.1绝热膨胀的定义 41.2.2绝热膨胀的特征 52理想气体的绝热膨胀和节流过程 62.1理想气体的绝热膨胀过程 62.2理想气体的节流过程 83范德瓦尔斯气体的绝热膨胀和节流过程 83.1范德瓦耳斯气体的绝热膨胀 83.2范德瓦耳斯气体的节流过程 94绝热膨胀与节流过程的比较和应用 114.1绝热膨胀与节流过程的比较 114.2两种过程获得低温的优缺点 114.3绝热膨胀和节流过程的应用 12结束语 12参考文献 13致谢 14#绵阳师范学院2011届本科毕业设计（论文）引言低温制冷技术在已经在各领域的到广泛应用；有研究表明，寿命与环境温度的关系非常密切，如青蛙生活在 2C的水中的寿命，比它在 2「C的水中高出960倍。

生命在低温技术下可以长时间得以保存，如科学家在南极冰 岩400米深的冰层里发现冷冻着的许多古代微生物，如果将其慢慢解冻，有 些小生命会从沉睡中苏醒过来因而如果能够把那些目前不治之症的病人 在低温下冻结，让其生命保存起来，待将来医疗技术有了突破后再将其解 冻后进行治疗，在医学上有重要意义低温技术为超导应用提供了最基本 的运行条件，成为超导系统整体的一个重要而又不可分割的部分，其直接 关系到超导设备的效率和安全可靠性还有在高压补燃氢氧发动机的研制 过程中，如果解决一系列的低温技术问题，可以使我国航天领域更上一台 阶如何获得低温？实现低温的方式方法很多，下面我们主要介绍以节流 过程和绝热膨胀过程获得低温的方法，以及在这两种过程中表现出的热力 学特征和各状态函数的变化 节流过程前后气体的焓值是相等的 （H^H2），熵增加（S ：：：S2）在焓不变的情况下，气体温度随压强的变化可以用状态 函数焓表示为H=H（T,p）节流过程所产生的效应可用焦 -汤系数"表示，若，则温度降低，节流为正效应，若 ，则温度升高，节流为负效应，若 ，则温度不发生变化，节流为零效应对于理想气体而言，这就是说理想气体在节流过程前中后温度不变，不能用节流膨胀的方法使 理想气体降温。

而对于实际气体， ■可能大于零也可能小于零，因此节流可能使温度降低也可能使温度升高节流效应也可以用反转曲线表示，该曲 线分为制冷区和制温区，制冷与制温由系统的初始状态决定绝热膨胀过 程前后气体的熵是不变的（ S^S2），但焓减小（比.H2）绝热膨胀过程中，气体的体积 V增大，压强p降低，等熵过程的温度随压强的变化而变 化过程可用等熵效应系数 ％来衡量又由于系统不和外界交换热量，即dQ=0，故由热力学第一定律，气体的温度 T必然降低1节流过程和绝热膨胀过程1.1节流过程1.1.1节流过程的定义及特征气体在绝热的条件下，由稳定的高压部分经多孔塞或节流阀流到稳定 的低压一边的过程叫节流过程图i-i节流过程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V >V2,P1 > P2,Ti > T2设气体都在左边时的内能为 Ui，气体都在右边时的内能为U2显然气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功 为W/| = pi A11 — pVi （ 1-1 ）同时推动右边活塞作功，其数值为^W^ — - P2 A212 = - P2V2 （ 1-2 ）外界对定量气体所作的净功为 1 •」一。

注意到绝热过程 Q = 0 ,则由第一定律知U2 — Ur = 口乂 — p2V2 （1-3）即 比=出（旧=0） （1-4）这就是说，绝热节流过程前后的焓不变，而且在整个街过程中焓值都不变 又由于节流时气流内部受到多孔塞的摩擦阻力，存在摩擦阻力损耗，所以 它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大，即S1：：S2 （1-5）1.1.2焦耳-汤姆逊效应鉴于1843年焦耳的自由膨胀实验不够精确，1852年焦耳和汤姆逊设计了一 个节流膨胀演示来观察实际气体在膨胀时所发生的温度变化在一个圆形绝热筒 的中部置有一个刚性的多孔塞，使气体通过多孔塞缓慢地进行节流膨胀， 并且在多孔塞的两边能够维持一定的压力差，实验时将压力和温度恒定为P1和T的某种 气体，连续地压过多孔塞，使气体在多孔塞右边的压力恒定为 p2，且p1 p2由于多孔塞的孔很小，气体只能缓慢地从左侧进入右侧从 p到P2的压力差基本上全部发生在多孔塞内，由于多孔塞的节流作用，可保持左室 5部分和右室低压P2的部分压力恒定不变，即分别为 山与P2这种维持一定压力差的绝热膨 胀过程叫做节流膨胀也称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效应图1-2 焦耳-汤姆逊效应示意图#绵阳师范学院2011届本科毕业设计（论文）在焦耳-汤姆逊效应中 焦耳-汤姆逊系数：焦耳-汤姆逊系数可以理解为为在等焓变化的节流膨胀中（或是焦耳。