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ジュール・トムソン効果

1852

James Prescott Joule
William Thomson (Lord Kelvin)

（画像はイメージです）

ジュール・トムソン効果（またはジュール・ケルビン効果）は、断熱された状態でバルブや多孔質プラグを通して実際の気体を強制的に通過させたときの気体の温度変化（等エンタルピー過程）を説明するものです。プレッシャー気体には反転温度が存在する。この温度より低い温度で膨張させると冷却され、高い温度で膨張させると加熱される。この冷却効果は、現代の冷凍技術と液化技術の基礎となっている。

The effect arises from the work done against intermolecular forces (van der Waals forces) as the gas expands. For an ideal gas, where intermolecular forces are negligible, the Joule-Thomson coefficient [latex]\mu_{JT} = (\frac{\partial T}{\partial P})_H[/latex] is zero, meaning no temperature change occurs. However, for real gases, these forces are significant. When a gas expands, the average distance between molecules increases. If attractive forces dominate (as they do at lower temperatures), the molecules must do work to overcome these forces, converting internal kinetic energy into potential energy, which results in a temperature decrease. Conversely, at high temperatures, repulsive forces can dominate, and expansion can lead to an increase in temperature. The temperature at which the effect switches from cooling to heating is the inversion temperature. This discovery was crucial for liquefying ‘permanent’ gases like oxygen and nitrogen, which have very low inversion temperatures, requiring pre-cooling before throttling could be effective.

極低温学, エンタルピー, 熱力学

UNESCO Nomenclature: 2212

熱力学

タイプ

物理原理

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

First Law of Thermodynamics (conservation of energy)
気体の内部エネルギーの概念
ジュールによる気体の自由膨張に関する初期の実験（ジュール膨張）
分子間力（ファンデルワールス力）の理論

アプリケーション

hampson-linde cycle for air liquefaction
極低温冷却器
冷蔵庫とエアコン
水素とヘリウムの液化
凍結手術用プローブ

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

完全気体モデル

理想気体とは、分子間力を無視し、比熱容量（[latex]C_P[/latex]と[latex]C_V[/latex]）が温度に対して一定であると仮定した気体の理論モデルです。これにより、熱力学的計算が大幅に簡略化されます。これは、比熱が温度によって変化する理想気体の特殊なケースであり、より制約の多いモデルと言えます。

19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

理想気体の法則（統計形式）

理想気体の法則の統計力学的な定式化は、気体の微視的な性質に基づいて関係性を表します。圧力（[latex]P[/latex]）と体積（[latex]V[/latex]）は、ボルツマン定数（[latex]k_B[/latex]）を介して、粒子の総数（[latex]N[/latex]）と絶対温度（[latex]T[/latex]）に関係付けられます。[latex]PV = Nk_BT[/latex]。

Current-carrying conductor experiment demonstrating Thomson Effect in thermoelectricity.

トムソン効果

トムソン効果は、電流が流れる導体の長さに沿って温度勾配が存在する場合に、その導体が加熱または冷却される現象を説明するものです。電流が温度勾配のある物質を流れると、熱が発生または吸収されます。単位長さあたりの熱発生率は、[latex]frac{dQ}{dx} = -mathcal{K} J frac{dT}{dx}[/latex]で与えられます。ここで、[latex]mathcal{K}[/latex]はトムソン係数です。

ジュール・トムソン効果

鉛蓄電池の化学

商業的に成功した最初の充電式電池。鉛（Pb）陽極、二酸化鉛（PbO₂）陰極、硫酸（H₂SO₄）電解液を使用している。放電時には、両電極が硫酸鉛（PbSO₄）に変化し、硫酸が消費される。このプロセスは外部電流を流すことで化学的に可逆的であるため、実用的で堅牢なエネルギー貯蔵システムとなっている。

気体のモル体積

アボガドロの法則の直接的な帰結として、モル体積の概念が挙げられます。すなわち、特定の温度と圧力において、あらゆる理想気体1モルは一定の体積を占めるというものです。標準温度圧力（STP）は273.15 K（0 °C）および1 atmと定義され、この体積は約22.4リットルです。この原理により、気体の体積とモル数を直接変換できるため、化学量論が簡略化されます。

ガウスの磁気法則

マクスウェル方程式の4つのうちの1つであるガウスの法則は、任意の閉曲面から出る正味の磁束はゼロであると述べています。これは数式で[latex]oint_S vec{B} cdot dvec{A} = 0[/latex]と表されます。この法則は、磁気単極子（孤立した北極または南極）がこれまで検出されたことがないという実験的観察を述べたものです。磁力線は常に閉じたループを形成します。

1850

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Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

化学平衡における触媒

触媒は、活性化エネルギーの低い代替反応経路を提供することで、正反応と逆反応の両方の反応速度を等しく増加させます。触媒によって系は平衡状態に非常に速く到達しますが、平衡の位置自体は変化しません。反応物と生成物の平衡濃度、および平衡定数Kの値は変化しません。

19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

理想気体の法則（モル形式）

理想気体の法則は、仮想的な理想気体の状態方程式であり、さまざまな条件下での多くの気体の挙動を近似します。モル形式は、圧力 ([latex]P[/latex])、体積 ([latex]V[/latex])、物質のモル数 ([latex]n[/latex])、および絶対温度 ([latex]T[/latex]) を普遍気体定数 ([latex]R[/latex]) を介して関連付けます。[latex]PV = nRT[/latex]。

Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

クラウジウス・クラペイロンの関係

クラウジウス・クラペイロンの関係式は、液体と蒸気などの相転移状態にある物質の圧力と温度の関係を表します。水蒸気の場合、飽和蒸気圧は温度とともに指数関数的に増加します。近似式は [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex] で、L は潜熱です。

Eddy current brake system in an industrial setting demonstrating electromagnetism applications.

渦電流（フーコーの『潮流』）

渦電流とは、ファラデーの法則に従い、変化する磁場によって導体内部に誘起される電流のループのことである。渦電流は磁場に垂直な平面内で閉じたループを描いて流れる。レンツの法則によれば、これらの電流は外部磁束の変化に抵抗する独自の磁場を生成し、反発力または抗力と抵抗発熱を引き起こす。

ケルビン（トムソン）親族

ケルビン関係は、3 つの熱電係数を熱力学的に関連付ける 2 つの式です。最初の関係は、絶対温度 (T) を介してペルティエ係数 ([latex]Pi[/latex]) とゼーベック係数 ([latex]S[/latex]) を関連付けます。[latex]Pi = S cdot T[/latex]。2 番目の関係は、トムソン係数 ([latex]mathcal{K}[/latex]) とゼーベック係数の温度微分を関連付けます。[latex]mathcal{K} = T frac{dS}{dT}[/latex]。

鉛蓄電池

鉛蓄電池は、1859年にガストン・プランテによって発明された世界初の充電式電池です。鉛（Pb）の陽極と二酸化鉛（PbO₂）の陰極を硫酸（H₂SO₄）の電解液に浸して作動します。放電時には両方の電極が硫酸鉛（PbSO₄）に変化し、充電時にはこのプロセスが逆になるため、エネルギーの貯蔵と再利用が可能になります。

マクスウェル・ファラデー方程式

これは、マクスウェルの4つの方程式の1つであるファラデーの誘導法則の微分形式です。この法則は、時間的に変化する磁場（[latex]mathbf{B}[/latex]）には必ず空間的に変化する非保存的な電場（[latex]mathbf{E}[/latex]）が伴うことを示しています。この関係は、[latex]nabla times mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t}[/latex] と表されます。この方程式は、変化する磁場が空間内の特定の点に電場を生成する仕組みを規定しています。