[科普中国]-焦耳-汤姆生效应

焦耳-汤姆生效应是气体通过多孔性物质(如棉絮、石棉等)而发生不可逆绝热膨胀后温度发生变化的现象。在通常温度下，许多气体膨胀后都变冷，但氢和氦则变热。事实上每种气体相应于一定压强都有一个确定的温度，称为转换温度，在这温度以下时，膨胀后变冷，在这温度以上时膨胀后变热。一般称变冷的情况为“正效应”，变热为“负效应”。工业上液化气体(如制造液态空气)时，常反复利用焦耳-汤姆生正效应使它逐步冷却，直至变为液体。1

起源詹姆斯·普雷斯科特·焦耳是英国物理学家。主要成就：确立热和机械功之间的当量关系——热功当量，证明热和机械能及电能的转化关系，为能量守恒定律的建立打下坚实的实验基础，是能量守恒定律发现者之一；研究电流热效应，给出焦耳楞次定律，并否定了“热质说”，指出热本质问题的研究方向；研究空气膨胀和压缩时的温度变化规律，发现焦耳-汤姆生效应，是从分子动力学的立场出发深入研究气体规律的先驱者之一。2

在进行热功当量测量实验的同时，1844年开始，焦耳研究空气在膨胀和压缩过程中温度变化规律，并取得了一些研究成果。计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。1845年，焦耳完成了气体自由膨胀时降温的试验。1852年，焦耳和著名物理学家威廉·汤姆生(后来受封为开尔文勋爵)合作，改进试验。1865年二人共同发表的论文中提出：当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降。这一现象后来被称为焦耳-汤姆生效应。这一试验结论广泛地应用于低温和气体液化等领域，因而可以说，焦耳是从分子动力学的立场出发进行深入研究的先驱者之一。焦耳和汤姆生的合作时间很长，在焦耳一生发表的97篇科学论文中有20篇是他们的合作成果。2

焦耳-汤姆生试验图2-11中的装置为一绝热圆筒，中间用刚性多孔塞隔开。左侧气体的压力、温度为P1、T1，利用活塞缓慢推动，使在恒定P1、T1下有体积V1的气体通过多孔塞向右侧膨胀。右侧通过另一活塞使气体压力保持在P1，使左侧P1、T1条件下体积为V1的气体进入右侧后压力降为P2，体积变为V2，实验中能够测出右侧气体的温度为T2。

上述过程的始末态可分别表示为P1、V1、T1及P2、V2、T2。这种在绝热条件下气体的始末态分别保持压力恒定的膨胀过程称节流膨胀。上述实验即焦耳-汤姆生实验。生产中恒压流体流动时突然受阻，使压力下降，即可认为属此情况。3

当始态为常压及室温时，多数气体经节流膨胀后温度下降，称致冷效应。有些气体如氢、氦等节流膨胀后温度升高，产生致热效应。实验还可测得各种气体在压力足够低时，则节流膨胀前后温度基本不变。3

基本原理温度下降：当气体膨胀，分子之间的平均距离上升。因为分子间吸引力，气体的位能上升。因为这是等熵过程，系统的总能量守恒，所以位能上升必然会令动能下降，故此温度下降。

温度上升：当分子碰撞，位能暂时转成动能。由于分子之间的平均距离上升，每段时间的平均碰撞次数上升，位能下降，因此动能上升，温度上升。

低于反转温度时，前者的影响较为明显，高于反转温度时，后者影响较明显。

焦耳-汤姆生系数节流膨胀过程的热力学特征，可用热力学第一定律作如下分析：

因过程绝热，故

过程的总功W是左侧活塞推送V1体积的气体通过多孔塞时所作的功与进入右侧V2体积的气体推动活塞所作功的代数和，故

将Q及W的关系式代入热力学第一定律的数学式，可得

整理后得

即

上式说明节流膨胀过程始末态焓值相等，有时称为等烩过程。因此，理想气体经节流膨胀是不会发生温度变化的。真实气体心焓是温度与压力的函数，故节流膨胀使压力改变时，将引起温度改变。过程中温度随压力的变化率可表示为。下标H表示等焓过程。针对物系的某一状态来说，这种变化率可表示为：

式中μ称焦耳-汤姆生系数，或称节流膨胀系数。由于膨胀过程dP总是负值，所以P值为正时dT应与dP同号，即dT为负值，这就表示节流引起了致冷效应，与此相反，μ值为负时则将引起致热效应。μ值为零则表明节流后温度不发生变化。3

应用卡尔·冯·林德利用焦耳-汤姆生效应来进行制冷。

应用焦耳-汤姆逊效应所研制出的氩氦刀,已在临床上推广应用,其关键技术是控制低温区域和冷冻速率。4

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学