اثر ژول تامسون چیست؟ چه کاربردی دارد؟

ضریب ژول تامسون یکی از مهمترین خواص هر گاز به شمار می رود. بدون دانستن اطلاعات مربوط به ضریب ژول تامسون یک گاز، نگهداری و استفاده از آن می تواند خطرات جبران ناپذیری به همراه داشته باشد. یکی از مثال های بارز در بحث جدی نگرفتن این ضریب را می توان در خاطرات ساخت کشتی های هوایی دنبال کرد.

برای ساخت کشتی هوایی لازم است تا یک مخزن بسیار بزرگ از گازی فوق سبک مثل هلیوم یا هیدروژن و یا… داشته باشید تا بتواند کشتی را در هوا معلق کند. یکی از سازندگان این کشتی ها سعی کرد تا برای پر کردن محفظه گاز، از گاز هیدروژن استفاده کند که نسبت به هلیوم هم سبک تر است و هم ارزان تر.

تا اینجای کار هیچ مشکلی وجود ندارد. قیمت کم و کارایی بالاتر واقعا ترقیب کننده است. اما آن ها توجه نداشتند که ضریب ژول تامسون گاز هیدروژن منفی است. منفی بودن ضریب ژول تامسون گاز هیدروژن به این معنی است که اگر سوراخی در مخزن ایجاد شود؛ به هنگام خروج گاز از این سوراخ، گرما ایجاد می شود.

وقتی گاز نشت می کند، با گذشت زمان، این نقطه گرم تر و گرم تر می شود تا در نهایت فاجعه رخ می هد. در کسری از ثانیه، مخزن عظیم الجثه کشتی هوایی منفجر می شود. برای درک شدت این انفجار، کافی است یک بادکنک را پر از گاز هیدروژن کنید و سپس آن را در معرض شعله قرار دهید.

انفجار کشتی هوایی در سال 1937

البته این کار واقعا خطرناک است و باید حداقل سه متر با آن فاصله داشته باشید؛ اما از این فاصله هم می توانید شدت انفجار و البته سرعت آن را متوجه شوید. بنابراین، دانستن ضریب ژول تامسون یک گاز بسیار مهم است. اما این ضریب چه مفهومی با خودش دارد و چه حقایقی درباره یک گاز را بیان می کند؟ چگونه محاسبه می شود؟ و…

تعریف ضریب ژول تامسون:

در علم ترمودینامیک، ضریب ژول تامسون به صورت نسبت تغییرات دما به تغییرات فشار تعریف می شود و داریم:

$\large \mu \equiv \left ( \frac{\partial T}{\partial P} \right )_{H}$

از آنجایی که دو کمیت دما و فشار، کمیت هایی شدتی هستند، بنابراین خود ضریب ژول تامسون هم کمیتی شدتی خواهد بود. همچنین، به صورت دیگری نیز می توان این ضریب را تعریف کرد:

$\large \mu =-\frac{1}{C_{p}}\left ( \frac{\partial H}{\partial P} \right )_{T}$

این ضریب بسته به نوع گاز و شرایط محیطی می تواند، مثبت، منفی و یا اصلا صفر باشد. مثبت بودن این ضریب بدان معنی است که اگر گاز را منبسط کنیم، سرد می شود. منفی بودن این ضریب به این معنی است که اگر گاز را منبسط کنیم، گرم می شود و صفر بودن به این معنی است که گاز در اثر تغییر فشار، (انبساط با انقباض) تغییر دما نخواهد داد.

ضریب ژول تامسون یک گاز، وابسته به سه عامل، دما، فشار و نوع گاز می باشد. البته وابستگی به این دما و فشار مربوط به قبل از انبساط گاز می باشد.

دمای وارونگی:

همانطور که در بالا اشاره شد، ضریب ژول تامسون یک گاز، بسته به شرایط پیش از انبساط، می تواند مثبت، منفی و یا اصلا صفر باشد. اگر نمودار فشار-دما را برای ضریب ژول تامسون یک گاز رسم کنیم؛ مشاهده می شود که در برخی فشار و دما ها، ضریب ژول تامسون به صورت مثبت است؛ اما با افزایش یا کاهش فشار و یا دما، این ضریب تغییر علامت می دهد.

این نقطه که در قبل و بعد از آن، ضریب ژول تامسون علامت متفاوتی نشان می دهد، به نقطه وارونگی و دمای متناظر با این نقطه را، دمای وارونگی می گویند. به نمودار زیر دقت کنید:

4.5: The Joule-Thomson Effect - Chemistry LibreTexts

منحنی تغییرات ضریب ژول تامسون نسبت به دما و فشار

در منطقه خاکستری رنگ، ضریب ژول تامسون گاز مربوطه مثبت است و این یعنی، با انبساط گاز، سرما ایجاد می شود. درست مثل زمانی که اسپری خوشبوکننده را به بدن تان می زنید و احساس سرما می کنید. منطقه سفید رنگ نشان دهنده دما و فشار هایی است که این گاز در آن شرایط ضریب ژول تامسون منفی خواهد داشت.

منفی بودن این ضریب به معنی ایجاد گرما در اثر انبساط است. دقیقا در مرز بین این دو منطقه، ضریب ژول تامسون این گاز صفر است و این یعنی، در این دما و فشار ها، اگر گاز را منبسط کنیم، هیچ تغییر دمایی نخواهد داشت. این نقاط دقیقا همان جا هایی هستند که وارونگی اتفاق می افتد.

اثر ژول تامسون و فیزیک پشت ماجرا:

اما سوال اساسی اینجاست که چرا این اتفاق می افتد؟ چرا یک گاز به هنگام انبساط باید گرم یا سرد شود و …؟ جواب در معادلات ترمودینامیکی بسیار ساده است. همه ما می دانیم که آنتالپی چگونه تعریف می شود. ما می دانیم که به لحاظ ریاضیاتی برای تعریف آنتالپی داریم:

$\large H=U+PV$

فرض کنید که $\large H$ برای یک فرآیند انبساطی ثابت باشد. مثلا، می توانید فرض کنید که انبساط در دمای اتاقی که نشسته اید انجام شود. در این صورت برای $\large H$ یک مقدار ثابت و مشخص وجود دارد؛ در حالی که حاصل $\large PV$ در حال تغییر است. پس برای ثابت نگه داشتن $\large H$ می بایست تغییری در مورد $\large U$ اتفاق بیفتد.

همانطور که می دانید، $\large U$ انرژی درونی است. پس در نتیجه این تغییر در فشار، انرژی درونی گاز، که شامل انرژی جنبشی و پتانسیل ذرات سازنده آن است تغییر می کند. پس در نتیجه آن، گاز یا گرم می شود و یا سرد. اما هنگامی که ضریب ژول تامسون صفر می شود چه تغییری رخ می دهد؟

در این شرایط، میزان تغییر در $\large PV$ دقیقا برابر با $\large H$ و با علامت مخالف است. بنابراین، برای ایجاد تساوی در معادله، $\large U$ باید صفر باشد. پس هیچ تغییری در انرژی درونی گاز رخ نمی دهد و این یعنی گاز نه سر می شود و نه گرم.

کاربرد اثر ژول تامسون:

مهمترین استفاده از این اثر، امروزه در همه خانه ها وجود دارد. یخچال خانه شما بر اساس همین پدیده کار می کند. موتور سیاه رنگ پشت یخچال، گاز را فشرده می کند و سپس آن را با فشار زیاد به درون صفحات و لوله های گشاد درون یخچال پمپاژ می کند.

نحوه کار یخچال

انبساط ناگهانی و شدیدی که برای گاز رخ می دهد، باعث ایجاد سرما شده و یخچال شما سرد می شود. از این اثر در کولر های گازی هم استفاده می شود و مکانیسم اثر به همین شکل است.

یکی دیگر از کاربرد های این اثر، در مایع کردن گاز ها دیده می شود. ما می دانیم که می توان یک گاز را با سرد کردن به مایع تبدیل کرد. بنابراین با استفاده یک دستگاه، به طور مداوم آن را منبسط و منقبض می کنند تا به دمایی برسد که از حالت گاز به مایع تبدیل شود.

جالب است بدانید، در مورد ضریب ژول تامسون گاز ها، انحراف هایی نیز وجود دارد که آن را در مقالات بعدی مطرح خواهیم کرد. پس با شیمی دون همراه باشید…

به این پست چند تا ستاره میدی؟

برای امتیاز دهی روی ستاره ها کلیک کن