Kesan Joule-Thomson

Dalam termodinamik, kesan Joule-Thomson atau kesan Joule-Kelvin atau kesan Kelvin-Joule atau pengembangan Joule-Thomson menjelaskan perubahan suhu gas atau cecair apabila ia dipaksa melalui satu injap atau palam poros sementara ia kekal ditebat supaya tidak ada haba yang dipindahkan kepada persekitaran. Prosedur ini dipanggil proses mendikit atau proses Joule-Thomson. Pada suhu bilik, semua gas kecuali hidrogen, helium dan neon menyejuk sewaktu pengembangan oleh proses Joule-Thomson.

Kesan ini dinamakan bersempena James Prescott Joule dan William Thomson, Baron Pertama Kelvin, orang yang telah menemui kesan ini pada tahun 1852 susulan daripada kerja yang lebih awal oleh Joule berkenaan pengembangan Joule, di mana satu gas melalui pengembangan bebas di dalam vakum.

Dalam uji kaji Joule, gas mengembang di dalam vakum dan penurunan suhu sistem ini adalah sifar sekiranya gas itu adalah gas ideal.

Proses mendikit memiliki kepentingan teknikal tertinggi. Ia merupakan teras kepada mesin-mesin terma seperti peti sejuk, pendingin hawa, pam haba dan pencecair.M.J. Moran and H.N. Shapiro "Fundamentals of Engineering Thermodynamics" 5th Edition (2006) John Wiley & Sons, Inc.  Selain itu, mendikit adalah proses tak berbalik asas. Pendikitan yang disebabkan oleh rintangan aliran dalam talian bekalan, penukar haba, penjana semula dan komponen-komponen lain dalam mesin-mesin (terma) adalah punca-punca kerugian yang mengehadkan prestasinya.

Penerangan
Pengembangan adiabatik (tiada haba ditukarkan) satu gas boleh dijalankan dalam beberapa cara. Perubahan suhu yang dialami oleh gas sewaktu pengembangan bukan hanya bergantung kepada tekanan awal dan akhir, tetapi juga kepada cara pengembangan dilakukan.

 Sekiranya proses pengembangan boleh diterbalikkan, yakni gas berada dalam keseimbangan termodinamik sepanjang masa, ia dinamakan pengembangan isentropik. Dalam senario ini, gas itu melakukan kerja positif sewaktu pengembangan, dan suhunya menurun.

 Sebaliknya, dalam pengembangan bebas, gas tidak melakukan sebarang kerja dan tidak menyerap sebarang haba, oleh itu tenaga dalamannya diabadikan. Jika dikembangkan dengan cara ini, suhu gas ideal akan kekal malar, tetapi suhu gas sebenar akan menaik atau menurun, bergantung kepada suhu dan tekanan awal.

 Kaedah pengembangan yang dibincangkan dalam rencana ini, di mana gas atau cecair pada tekanan P1 mengalir ke kawasan bertekanan lebih rendah P2 melalui injap atau plag poros dalam keadaan mantap dan tanpa perubahan dalam tenaga kinetik, dinamakan proses Joule-Thomson. Dalam proses ini, entalpi kekal tidak berubah (lihat bukti di bawah).

Proses mendikit berjalan sepanjang garis entalpi malar ke arah tekanan menurun, bermakna proses ini berlaku dari kanan ke kiri gambar rajah T-P. Sedang kita teruskan sepanjang garisan entalpi malar daripada tekanan yang cukup tinggi, suhu meningkat sehinggalah mencapai suhu penyonsangan. Selepas ini, ketika bendalir meneruskan pengembangannya, suhu menurun. Jika kita lakukan yang demikian bagi beberapa entalpi malar dan gabungkan titik-titik songsangan, kita akan memperoleh garis penyonsangan. Garis ini bersilang dengan paksi T pada beberapa suhu yang dinamakan suhu penyonsangan maksimum. Bagi hidrogen suhu ini adalah -68 °C. Dalam penyejukan mampatan wap, kita perlu mendikit gas dan menyejukkannya pada masa yang sama. Ini menimbulkan masalah bagi bahan-bahan yang suhu penyonsangan maksimumnya berada di bawah suhu bilik. Oleh itu hidrogen perlu disejukkan terlebih dahulu hingga ke bawah suhu penyonsangannya agar proses mendikit menyebabkan penyejukan.

Interpretasi termodinamik uji kaji ini:

Jika kita anggap bahawa jumlah gas tertentu telah melalui plag poros, jadi tekanan dan suhu di sebelah kiri plag poros ialah P1 dan T1 dan tekanan tertentu V1

Di sebelah kanan jumlah gas yang sama akan berada pada tekanan P2, suhu T2 dan akan mengambil ruang V2.

Sedang gas dimampatkan kerja yang dilakukan ke atas gas ialah P1V1 dan kerja dilakukan yang terhasil oleh gas sewaktu pengembangan ialah P2V2. Ini memberikan perkaitan kerja yang dilakukan sebagai W = P2V2 - P1V1.

Rujukan

Kategori:Termodinamik
Kategori:Kejuruteraan kimia
Kategori:Kriogenik