innovation.world
Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
بيت » تأثير جول-ثومسون

تأثير جول-ثومسون

1852
  • James Prescott Joule
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Laboratory apparatus demonstrating the Joule-Thomson effect in thermodynamics.

(صورة توضيحية فقط)

يصف تأثير جول-طومسون (أو جول-كلفن) تغير درجة حرارة الغاز الحقيقي عند دفعه عبر صمام أو سدادة مسامية مع الحفاظ على عزله (عملية متساوية المحتوى الحراري). عند درجة حرارة معينة ضغط, a gas has an inversion temperature. If expanded below this temperature, it cools; if expanded above it, it heats up. This cooling effect is a cornerstone of modern refrigeration and liquefaction.

ينشأ هذا التأثير من العمل المبذول ضد القوى بين الجزيئية (van der Waals تتضاءل القوى بين الجزيئات مع تمدد الغاز. في الغاز المثالي، حيث تكون القوى بين الجزيئات ضئيلة، يكون معامل جول-طومسون μJT = (∂T/∂P)H مساويًا للصفر، مما يعني عدم حدوث أي تغير في درجة الحرارة. مع ذلك، في الغازات الحقيقية، تكون هذه القوى ذات أهمية. فعندما يتمدد الغاز، تزداد المسافة المتوسطة بين جزيئاته. إذا سادت قوى التجاذب (كما هو الحال عند درجات الحرارة المنخفضة)، يجب على الجزيئات بذل شغل للتغلب على هذه القوى، محولةً الطاقة الحركية الداخلية إلى طاقة كامنة، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة. في المقابل، عند درجات الحرارة المرتفعة، قد تسود قوى التنافر، وقد يؤدي التمدد إلى ارتفاع درجة الحرارة. تُعرف درجة الحرارة التي يتحول عندها التأثير من التبريد إلى التسخين بدرجة حرارة الانعكاس. كان هذا الاكتشاف حاسمًا في تسييل الغازات الدائمة. الغازات مثل الأكسجين والنيتروجين، والتي تتميز بدرجات حرارة انعكاس منخفضة للغاية، تتطلب تبريدًا مسبقًا قبل أن يكون الخنق فعالًا.

UNESCO Nomenclature: 2212
– Thermodynamics

يكتب

Physical Principle

خلل

أساسيات

الاستخدام

استخدام واسع النطاق

مقدمات

  • القانون الأول الديناميكا الحرارية (conservation of energy)
  • مفهوم الطاقة الداخلية في الغازات
  • تجارب جول السابقة حول التمدد الحر للغازات (تمدد جول)
  • نظريات حول القوى بين الجزيئية (قوى فان دير فالس)

التطبيقات

براءات الاختراع:

NA

أفكار ابتكارية محتملة

  • مبردات دقيقة مدمجة في الشريحة لمعالجات الحوسبة الكمومية
  • علب المشروبات ذاتية التبريد باستخدام إطلاق الغاز المتحكم فيه
  • الأجهزة الطبية المحمولة للتسكين الفوري بالتبريد
  • advanced air separation units with enhanced efficiency through optimized throttling stages
  • أنظمة تعتمد على جول-ثومسون لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وتسييله مباشرة من عوادم الصناعة
  • cryogenic fuel cell systems for high-altitude drones
  • مُسيِّلات مُصغَّرة للتجارب على نطاق المختبر
  • حاويات تبريد ذاتية لنقل العينات البيولوجية الحساسة
  • موسعات جول-ثومسون مدمجة في محطات الطاقة الحرارية الأرضية
  • أنظمة التبريد لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء في التلسكوبات الفضائية
Related to: Joule-Thomson effect, throttling, isenthalpic process, inversion temperature, liquefaction, cryogenics, real gas, thermodynamics, refrigeration, Joule-Kelvin effect.

السياق التاريخي

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

The Perfect Gas Model

A perfect gas is a theoretical model of a gas where intermolecular forces are neglected and specific heat capacities ([latex]C_P[/latex] and [latex]C_V[/latex]) are assumed to be constant with respect to temperature. This simplifies thermodynamic calculations significantly. It is a specific case of the ideal gas, where specific heats can vary with temperature, making it a more constrained model.
19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

قانون الغاز المثالي (الشكل الإحصائي)

The statistical mechanics formulation of the ideal gas law expresses the relationship in terms of the microscopic properties of the gas. It relates pressure ([latex]P[/latex]) and volume ([latex]V[/latex]) to the total number of particles ([latex]N[/latex]) and the absolute temperature ([latex]T[/latex]) through the Boltzmann constant ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].
Current-carrying conductor experiment demonstrating Thomson Effect in thermoelectricity.

تأثير طومسون

The Thomson effect describes the heating or cooling of a current-carrying conductor when a temperature gradient exists along its length. Heat is produced or absorbed when current flows through a material with a temperature gradient. The rate of heat production per unit length is given by [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], where [latex]\mathcal{K}[/latex] is the Thomson coefficient.

تأثير جول-ثومسون

Lead-acid battery with lead anode and lead dioxide cathode in a historical lab setting.

كيمياء بطاريات الرصاص الحمضية

أول بطارية قابلة لإعادة الشحن ناجحة تجاريًا. تستخدم أنودًا من الرصاص (Pb)، وكاثودًا من ثاني أكسيد الرصاص (PbO₂)، وإلكتروليتًا من حمض الكبريتيك (H₂SO₄). أثناء التفريغ، يتحول كلا القطبين إلى كبريتات الرصاص (PbSO₄)، ويُستهلك حمض الكبريتيك. هذه العملية عكسية كيميائيًا بتطبيق تيار خارجي، مما يجعلها نظامًا عمليًا ومتينًا لتخزين الطاقة.
Laboratory setup for measuring molar volume of gas in physical chemistry experiments.

الحجم المولي للغاز

من النتائج المباشرة لقانون أفوجادرو مفهوم الحجم المولي: يشغل مول واحد من أي غاز مثالي حجمًا ثابتًا عند درجة حرارة وضغط محددين. عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (STP)، وهما 273.15 كلفن (0 درجة مئوية) وضغط جوي واحد، يبلغ هذا الحجم حوالي 22.4 لترًا. يُبسط هذا المبدأ القياس الكيميائي من خلال السماح بالتحويل المباشر بين حجم الغاز وعدد المولات.
Laboratory scene focused on electric motor design utilizing Gauss's Law for Magnetism.

Gauss’s Law for Magnetism

One of the four Maxwell's equations, Gauss's law for magnetism states that the net magnetic flux out of any closed surface is zero. This is expressed mathematically as [latex]\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0[/latex]. This law is a statement of the experimental observation that magnetic monopoles (isolated north or south poles) have never been detected. Magnetic field lines always form closed loops.
1850
1850
1851
1852
1859
1860
1861
1850
1850
1850
1851
1854
1859
1861
1865
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

المحفز على التوازن الكيميائي

يزيد المحفز من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي من خلال توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. وبينما يسمح المحفز للنظام بالوصول إلى حالة التوازن بشكل أسرع، فإنه لا يغير موضع التوازن نفسه. وتظل تركيزات المتفاعلات والنواتج عند التوازن، وقيمة ثابت التوازن K، ثابتة.
19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

The ideal gas law is the equation of state for a hypothetical ideal gas, approximating the behavior of many gases under various conditions. The molar form relates pressure ([latex]P[/latex]), volume ([latex]V[/latex]), amount of substance in moles ([latex]n[/latex]), and absolute temperature ([latex]T[/latex]) via the universal gas constant ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

علاقة كلاوسيوس-كلابيرون

The Clausius-Clapeyron relation describes the relationship between pressure and temperature for a substance at a phase transition, such as liquid and vapor. For water vapor, it shows that saturation vapor pressure increases exponentially with temperature. The approximate form is [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], where L is latent heat.
Eddy current brake system in an industrial setting demonstrating electromagnetism applications.

Eddy Currents (Foucault’s Currents)

التيارات الدوامية هي حلقات من التيار الكهربائي المُستحثّ داخل موصلات كبيرة بفعل مجال مغناطيسي متغير، وفقًا لقانون فاراداي. تتدفق هذه التيارات في حلقات مغلقة في مستويات عمودية على المجال المغناطيسي. ووفقًا لقانون لينز، تُنشئ هذه التيارات مجالها المغناطيسي الخاص الذي يُعاكس التغير في التدفق الخارجي، مُسببةً قوة تنافر أو قوة سحب وتسخينًا مقاومًا.
Thermodynamic laboratory with Peltier and Seebeck apparatus illustrating Kelvin relations.

علاقات كيلفن (تومسون)

The Kelvin relations are two equations that thermodynamically link the three thermoelectric coefficients: the first relation connects the Peltier coefficient ([latex]\Pi[/latex]) to the Seebeck coefficient ([latex]S[/latex]) via absolute temperature ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. The second relates the Thomson coefficient ([latex]\mathcal{K}[/latex]) to the temperature derivative of the Seebeck coefficient: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].
Lead-acid battery with lead and lead dioxide electrodes in sulfuric acid electrolyte, electrochemistry.

بطارية الرصاص الحمضية

بطارية الرصاص الحمضية هي أول بطارية قابلة لإعادة الشحن، اخترعها غاستون بلانتيه عام ١٨٥٩. تعمل باستخدام قطب موجب من الرصاص (Pb) وقطب سالب من ثاني أكسيد الرصاص (PbO₂) مغمورين في إلكتروليت حمض الكبريتيك (H₂SO₄). أثناء التفريغ، يتحول القطبان إلى كبريتات الرصاص (PbSO₄)، وهي عملية تُعكس أثناء الشحن، مما يسمح بتخزين الطاقة وإعادة استخدامها.
Laboratory setup illustrating the Maxwell-Faraday Equation in electromagnetism.

معادلة ماكسويل-فاراداي

This is the differential form of Faraday's law of induction, one of Maxwell's four equations. It states that a time-varying magnetic field ([latex]\mathbf{B}[/latex]) always accompanies a spatially varying, non-conservative electric field ([latex]\mathbf{E}[/latex]). The relationship is expressed as [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. This equation governs how changing magnetic fields create electric fields at a specific point in space.
Historical laboratory scene depicting Maxwell's equations in electromagnetism research.

Maxwell’s 4 Equations

معادلات ماكسويل هي مجموعة من أربع معادلات تفاضلية جزئية مقترنة تُشكل أساس الكهرومغناطيسية الكلاسيكية. تصف هذه المعادلات كيفية توليد المجالات الكهربائية والمغناطيسية وتغيرها بفعل بعضها البعض، وبفعل الشحنات والتيارات. وهي: قانون غاوس، وقانون غاوس للمغناطيسية، وقانون فاراداي للحث، وقانون أمبير-ماكسويل.

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)

أحدث الإضافات

أهم المنشورات والمقالات

جميع مقالات التصميم الأخرى

أفضل الأدوات الأصلية

جميع أدوات الابتكار الأصلية الأخرى.world
السنة العاشرة عيد

الصور والتنزيلات بالحجم الكامل متاحة فقط، ومجانية تمامًا، للأعضاء المسجلين.

> تسجيل الدخول <