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1、绵阳师范学院本科生毕业论文（设计）题 目 气体的绝热膨胀和节流过程探讨 专 业 物理学 院 部 物理与电子工程学院 学 号 0709420424 姓 名 李 飞 指 导 教 师 廖碧涛 讲师 答 辩 时 间 2011年5月 论文工作时间： 2010 年 11 月 至 2011 年 05 月绵阳师范学院2011届本科毕业设计（论文）气体的绝热膨胀过程和节流过程探讨学 生: 李 飞指导教师: 廖碧涛摘 要：目前低温技术越来越受到人们的关注，低温制冷技术已经广泛应用于气象，军事，航空航天，低温电子技术，低温医学领域等。气体的绝热膨胀和节流过程是获得低温的两种途径。在绝热的条件下高压气体经过多孔塞或节
2、流阀流到低压一边的稳定流动过程称为节流过程。测量气体在多孔塞或节流阀两边的温度表明，在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦耳-汤姆逊效应，简称焦-汤效应。这是焦耳和汤姆逊在1852年用多孔塞实验研究气体内能时发现的。绝热膨胀是指与外界没有热量交换，但气体对外界做功，气体膨胀。根据热力学第一定律，可证明这是等熵过程，在这个过程中气体体积增大，压强降低，因而温度降低。所以绝热膨胀经常用于降低气体的温度，起到冷冻的效应。本篇文章主要是对理想气体和范德瓦耳斯气体在节流过程和绝热膨胀两种过程中热力学特征以及各状态函数变化的研究，得出各状态参量的变化情况。加深对节流过程和绝热膨胀过程的理解和认
3、识。节流过程和绝热膨胀过程制冷都有着各自的优点和缺点，将节流过程和绝热膨胀过程结合使用可以充分弥补各自的缺点，发挥优点，达到极好的制冷效果，获得低至1K的低温。目前节流过程和绝热膨胀过程被广泛运用与化工生产中。关键词 低温； 绝热膨胀； 节流过程； 焦耳一汤姆孙效应The Insulation the Expansion Process and inThe Throttling process toUndergraduate: Li fei Supervisor: Liao BitaoAbstract：At present technology has been getting attenti
4、on.Temperatures refrigeration technology is widely applied to meteorological, military, the cooler the air space and technology, medicine, etc. low temperatures. Of hot gas expands and throttling process is a low temperature two ways. In the insulation of high pressure gas after the plug or throttli
5、ng the valve to the stability of the low side of the current process is called the throttling process. the gas or throttling the valve in the plug on the temperature that, in the throttling process, the temperature of the gas has changed, the effect is called joule - thompson, short dark - soup joul
6、e and effect. thompson is in the membrane in the plug experimental research on the gas can find. insulation expansion is from outside world and no calories But gas to do work, expansion of gases. according to law of thermodynamics to the first, but that this is the process of entropy, volume of gas,
7、 lower pressure and temperature is lower. therefore, the insulation is often used for lowering the temperature of the gas, to freeze effect. this article is in an ideal gas and vande gas in the throttling process and the insulation the expansion process thermodynamics characteristics and the conditi
8、on function That the state the throttling process and the insulation. the expansion process of refrigeration have their respective advantages and disadvantages, will the throttling process and the insulation the expansion process can be used for their faults and virtues, a chilling effect, the low t
9、emperatures. in addition, 1k in temperatures constant concern and to explore technology, The throttling process and the insulation the expansion process was widely used and chemical production.Key words: Temperatures；Insulation expansion；The throttling process Joule and tom effect.目 录引言11节流过程和绝热膨胀过程
10、11.1节流过程11.1.1节流过程的定义及特征11.1.2焦耳-汤姆逊效应21.2 绝热膨胀过程41.2.1绝热膨胀的定义41.2.2绝热膨胀的特征52理想气体的绝热膨胀和节流过程62.1理想气体的绝热膨胀过程62.2理想气体的节流过程83范德瓦尔斯气体的绝热膨胀和节流过程83.1范德瓦耳斯气体的绝热膨胀83.2范德瓦耳斯气体的节流过程94绝热膨胀与节流过程的比较和应用114.1绝热膨胀与节流过程的比较114.2两种过程获得低温的优缺点114.3绝热膨胀和节流过程的应用12结束语12参考文献13致 谢143引言低温制冷技术在已经在各领域的到广泛应用；有研究表明，寿命与环境温度的关系非常密切，
11、如青蛙生活在2的水中的寿命，比它在21的水中高出960倍。生命在低温技术下可以长时间得以保存，如科学家在南极冰岩400米深的冰层里发现冷冻着的许多古代微生物，如果将其慢慢解冻，有些小生命会从沉睡中苏醒过来。因而如果能够把那些目前不治之症的病人在低温下冻结，让其生命保存起来，待将来医疗技术有了突破后再将其解冻后进行治疗，在医学上有重要意义。低温技术为超导应用提供了最基本的运行条件，成为超导系统整体的一个重要而又不可分割的部分，其直接关系到超导设备的效率和安全可靠性。还有在高压补燃氢氧发动机的研制过程中，如果解决一系列的低温技术问题，可以使我国航天领域更上一台阶。如何获得低温？实现低温的方式方法很
12、多，下面我们主要介绍以节流过程和绝热膨胀过程获得低温的方法，以及在这两种过程中表现出的热力学特征和各状态函数的变化。节流过程前后气体的焓值是相等的（），熵增加（）。在焓不变的情况下，气体温度随压强的变化可以用状态函数焓表示为H=H(T,p)。节流过程所产生的效应可用焦-汤系数表示，若，则温度降低，节流为正效应，若，则温度升高，节流为负效应，若，则温度不发生变化，节流为零效应。对于理想气体而言，这就是说理想气体在节流过程前中后温度不变，不能用节流膨胀的方法使理想气体降温。而对于实际气体，可能大于零也可能小于零，因此节流可能使温度降低也可能使温度升高。节流效应也可以用反转曲线表示，该曲线分为制冷区
13、和制温区，制冷与制温由系统的初始状态决定。绝热膨胀过程前后气体的熵是不变的（），但焓减小（）。绝热膨胀过程中，气体的体积V增大，压强p降低，等熵过程的温度随压强的变化而变化。过程可用等熵效应系数来衡量。又由于系统不和外界交换热量，即dQ=0，故由热力学第一定律，气体的温度T必然降低。1节流过程和绝热膨胀过程1.1节流过程1.1.1节流过程的定义及特征气体在绝热的条件下，由稳定的高压部分经多孔塞或节流阀流到稳定的低压一边的过程叫节流过程。 图1-1 节流过程示意图 以活塞左边气体为研究对象 ，当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从。设气体都在左边时的内能为，气体都在右边时的内能为。显然气体在穿
14、过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为 （1-1）同时推动右边活塞作功，其数值为 （1-2）外界对定量气体所作的净功为。注意到绝热过程Q = 0，则由第一定律知 (1-3) 即 (1-4)这就是说，绝热节流过程前后的焓不变，而且在整个街过程中焓值都不变。又由于节流时气流内部受到多孔塞的摩擦阻力，存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大，即 (1-5)1.1.2焦耳-汤姆逊效应鉴于1843年焦耳的自由膨胀实验不够精确，1852年焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀演示来观察实际气体在膨胀时所发生的温度变化。在一个圆形绝热筒的中部置有一个刚性的多孔塞，使气体通过多孔塞缓慢地进行节流膨胀，并且在多孔塞的两边能够维持一定的压力差，实验时将压力和温度恒定为和的某种气体，连续地压过多孔塞，使气体在多孔塞右边的压力恒定为，且。由于多孔塞的孔很小，气体只能缓慢地从左侧进入右侧。从到的压力差基本上全部发生在多孔塞内，由于多孔塞的
