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Effet Joule-Thomson

1852

James Prescott Joule
William Thomson (Lord Kelvin)

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

L'effet Joule-Thomson (ou effet Joule-Kelvin) décrit la variation de température d'un gaz réel lorsqu'il est forcé de traverser une vanne ou un bouchon poreux tout en restant isolé (transformation isenthalpique). pressionUn gaz possède une température d'inversion. S'il est dilaté en dessous de cette température, il se refroidit ; s'il est dilaté au-dessus, il se réchauffe. Cet effet de refroidissement est un principe fondamental de la réfrigération et de la liquéfaction modernes.

L'effet provient du travail effectué contre les forces intermoléculaires (forces de van der Waals) lorsque le gaz se dilate. Pour un gaz idéal, où les forces intermoléculaires sont négligeables, le coefficient Joule-Thomson [latex]\mu_{JT} = (\frac{\partial T}{\partial P})_H[/latex] est nul, ce qui signifie qu'il n'y a pas de changement de température. Cependant, pour les gaz réels, ces forces sont importantes. Lorsqu'un gaz se dilate, la distance moyenne entre les molécules augmente. Si les forces d'attraction dominent (comme c'est le cas à basse température), les molécules doivent travailler pour surmonter ces forces, convertissant l'énergie cinétique interne en énergie potentielle, ce qui entraîne une baisse de la température. Inversement, à haute température, les forces répulsives peuvent dominer et l'expansion peut entraîner une augmentation de la température. La température à laquelle l'effet passe du refroidissement au chauffage est la température d'inversion. Cette découverte a été cruciale pour la liquéfaction des gaz ‘permanents’ tels que l'oxygène et l'azote, dont les températures d'inversion sont très basses, ce qui nécessite un refroidissement préalable avant que l'étranglement ne soit efficace.

Cryogénie, Enthalpie, Thermodynamique

UNESCO Nomenclature: 2212

– Thermodynamique

Taper

Principe physique

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

Première loi de la thermodynamique (conservation de l'énergie)
Concept d'énergie interne dans les gaz
Expériences antérieures de Joule sur la libre dilatation des gaz (dilatation de Joule)
Théories sur les forces intermoléculaires (forces de Van der Waals)

Applications

cycle hampson-linde pour la liquéfaction de l'air
cryoréfrigérateurs
réfrigérateurs et systèmes de climatisation
liquéfaction de l'hydrogène et de l'hélium
sondes de cryochirurgie

Brevets:

Idées d'innovations potentielles

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Lié à : Effet Joule-Thomson, étranglement, processus isenthalpique, température d'inversion, liquéfaction, cryogénie, gaz réel, thermodynamique, réfrigération, effet Joule-Kelvin.

Contexte historique

Le modèle du gaz parfait

Un gaz parfait est un modèle théorique de gaz dans lequel les forces intermoléculaires sont négligées et les capacités thermiques spécifiques ([latex]C_P[/latex] et [latex]C_V[/latex]) sont supposées constantes en fonction de la température. Cela simplifie considérablement les calculs thermodynamiques. Il s'agit d'un cas spécifique de gaz idéal, où les chaleurs spécifiques peuvent varier avec la température, ce qui en fait un modèle plus contraignant.

Scène de laboratoire du XIXe siècle avec Ludwig Boltzmann étudiant la loi des gaz idéaux en thermodynamique statistique.

Loi des gaz parfaits (forme statistique)

La formulation en mécanique statistique de la loi des gaz idéaux exprime la relation en termes de propriétés microscopiques du gaz. Elle relie la pression ([latex]P[/latex]) et le volume ([latex]V[/latex]) au nombre total de particules ([latex]N[/latex]) et à la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]) : [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Effet Thomson

L'effet Thomson décrit l'échauffement ou le refroidissement d'un conducteur de courant lorsqu'un gradient de température existe sur sa longueur. La chaleur est produite ou absorbée lorsque le courant traverse un matériau présentant un gradient de température. Le taux de production de chaleur par unité de longueur est donné par [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], où [latex]\mathcal{K}[/latex] est le coefficient de Thomson.

Effet Joule-Thomson

Batterie plomb-acide avec anode en plomb et cathode en dioxyde de plomb dans un laboratoire historique.

Chimie des batteries au plomb

La première batterie rechargeable à succès commercial. Elle utilise une anode en plomb (Pb), une cathode en dioxyde de plomb (PbO₂) et un électrolyte à base d'acide sulfurique (H₂SO₄). Lors de la décharge, les deux électrodes sont converties en sulfate de plomb (PbSO₄), ce qui consomme l'acide sulfurique. Ce processus est chimiquement réversible par application d'un courant externe, ce qui en fait un système de stockage d'énergie pratique et robuste.

Installation de laboratoire pour mesurer le volume molaire des gaz dans les expériences de chimie physique.

Volume molaire d'un gaz

Une conséquence directe de la loi d'Avogadro est le concept de volume molaire : une mole de tout gaz idéal, à une température et une pression données, occupe un volume fixe. À température et pression standard (TPS), définies à 273,15 K (0 °C) et 1 atm, ce volume est d'environ 22,4 litres. Ce principe simplifie la stœchiométrie en permettant une conversion directe entre le volume du gaz et les moles.

Loi de Gauss pour le magnétisme

L'une des quatre équations de Maxwell, la loi de Gauss pour le magnétisme stipule que le flux magnétique net sortant de toute surface fermée est nul. Elle s'exprime mathématiquement par [latex]\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0[/latex]. Cette loi est un énoncé de l'observation expérimentale selon laquelle les monopôles magnétiques (pôles nord ou sud isolés) n'ont jamais été détectés. Les lignes de champ magnétique forment toujours des boucles fermées.

1850

1851

1852

1859

1860

1861

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1859

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1865

Chimiste réalisant des expériences avec des catalyseurs dans un laboratoire d'époque, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

Chimiste du XIXe siècle mesurant les volumes de gaz et illustrant la loi des gaz idéaux en thermodynamique.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

La loi des gaz idéaux est l'équation d'état d'un gaz idéal hypothétique, qui donne une approximation du comportement de nombreux gaz dans diverses conditions. La forme molaire relie la pression ([latex]P[/latex]), le volume ([latex]V[/latex]), la quantité de substance en moles ([latex]n[/latex]) et la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante universelle des gaz ([latex]R[/latex]) : [latex]PV = nRT[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer la pression de vapeur et la température en thermodynamique.

Clausius-Clapeyron Relation

La relation de Clausius-Clapeyron décrit la relation entre la pression et la température pour une substance à une transition de phase, comme un liquide et une vapeur. Pour la vapeur d'eau, elle montre que la pression de vapeur saturante augmente de manière exponentielle avec la température. La forme approximative est [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], où L est la chaleur latente.

Système de freinage par courants de Foucault dans un environnement industriel démontrant les applications de l'électromagnétisme.

Courants de Foucault (Foucault's Currents)

Eddy currents are loops of electrical current induced within bulk conductors by a changing magnetic field, in accordance with Faraday's law. They flow in closed loops in planes perpendicular to the magnetic field. Following Lenz's law, these currents create their own magnetic field that opposes the change in the external flux, causing a repulsive or drag force and resistive heating.

Laboratoire de thermodynamique avec appareils Peltier et Seebeck illustrant les relations de Kelvin.

Relations de Kelvin (Thomson)

Les relations de Kelvin sont deux équations qui relient thermodynamiquement les trois coefficients thermoélectriques : la première relation relie le coefficient de Peltier ([latex]\Pi[/latex]) au coefficient de Seebeck ([latex]S[/latex]) via la température absolue ([latex]T[/latex]) : [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. La seconde relie le coefficient de Thomson ([latex]\mathcal{K}[/latex]) à la dérivée de température du coefficient de Seebeck : [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Batterie plomb-acide avec électrodes en plomb et en dioxyde de plomb dans un électrolyte d'acide sulfurique, électrochimie.

Batterie au plomb-acide

La batterie plomb-acide est la première batterie rechargeable, inventée par Gaston Planté en 1859. Elle fonctionne avec une anode en plomb (Pb) et une cathode en dioxyde de plomb (PbO₂) immergées dans un électrolyte d'acide sulfurique (H₂SO₄). Lors de la décharge, les deux électrodes se transforment en sulfate de plomb (PbSO₄), un processus inversé lors de la charge, permettant ainsi le stockage et la réutilisation de l'énergie.

Équation de Maxwell-Faraday

Il s'agit de la forme différentielle de la loi d'induction de Faraday, l'une des quatre équations de Maxwell. Elle stipule qu'un champ magnétique variable dans le temps ([latex]\mathbf{B}[/latex]) accompagne toujours un champ électrique variable dans l'espace et non conservatif ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relation s'exprime comme suit : [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. Cette équation régit la manière dont les champs magnétiques changeants créent des champs électriques en un point spécifique de l'espace.

Scène de laboratoire historique illustrant les équations de Maxwell dans la recherche sur l'électromagnétisme.

Les 4 équations de Maxwell

Les équations de Maxwell sont un ensemble de quatre équations aux dérivées partielles couplées qui constituent le fondement de l'électromagnétisme classique. Elles décrivent comment les champs électriques et magnétiques sont générés et modifiés l'un par l'autre et par les charges et les courants. Il s'agit de la loi de Gauss, de la loi de Gauss pour le magnétisme, de la loi de Faraday sur l'induction et de la loi d'Ampère-Maxwell.

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)