2-3ジュール・トムソン効果

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    ジュール・トムソン効果
    恩恵を受けているにも関わらず、 誤解は大きい。
    実験の改良
     2つ前に話した「ゲイリュサック・ジュールの実験」を思い出してもらいたい。 熱力学は熱平衡に達した状態での状態量の関係を論じる学問だから、気体が真空中に広がろうとしている途中での状態に対してはあまり確かなことが言えない。 内部エネルギーが体積変化に依存しないとは言っても途中ではどうなっているんだと突付かれると困ってしまう。 しかもこの実験は一瞬で終わってしまうので精密な測定が難しい。
     そこでこの実験を改良して、容器の間を繋いでいたパイプの中に綿を詰めて、気体がゆっくり真空中へもれるようにしたらどうだろうか。 熱平衡に近い状態を保ったまま変化し続ける状況が作り出せるだろう。
     この実験で面白いことが起こる。 容器Aから容器Bへゆっくりと気体を噴き出させると、容器Bの側の気体の温度が変化するのだ。 この現象を「ジュール・トムソン効果」と呼ぶ。 なぜこんなことが起こるのだろう?
     それを考える前にこの実験装置の他の改良点についても確認しておこう。
     まず容器Aと容器Bをつなぐ管の中に綿を詰めた。 これは気体が一気に流れてしまうのを防ぐためである。 両方の容器の中で平衡状態が保てるようにゆっくり流したい。
     しかしこれだけでは不都合がある。 容器Bの中に気体が流れ込んでくると容器Bの中の圧力が徐々に高まってゆくだろう。 それでは状態が時々刻々と変化してしまう。 これを一定に保つために、容器Bにピストンをつけてその上におもりを乗せ、常に一定の圧力が保てるようにしておこう。
     気体を流してやるためには、容器Aの側に容器Bよりも強めの圧力をかけてやる必要がある。 そちらの圧力も一定に保てるように、容器Aの側にも同じ仕組みを作る。 そして容器Bよりも少し重いおもりを乗せてやる。
     両方の容器には温度計を設置しておく。 これで変数を完全にコントロールした状態での実験が出来るわけだ。 容器Aの温度を一定に保ち、容器Bでの温度を測ることにする。
     前の実験では容器Bの側を真空状態にして始めたが、この実験では予め容器Bにも気体を入れておく。 そうしないと平衡状態を作り出せないからだ。
     ここまで変えてしまうと、これはすでに前の実験とは全く性格の異なる実験になってしまっているのではないだろうかと不安になることだろう。 その通り、全く違う実験であるから、あまりそこで悩まないで欲しい。
    等エンタルピー変化
     容器Aでは圧力は pa で常に一定、容器Bでは圧力は pb で常に一定。 綿の栓(細孔栓と呼ぶと専門的でかっこいい)を挟んで圧力の異なる気体が接している。
     準静的でありながら不可逆過程。 前に「準静的過程は可逆過程だ」と説明したが、それを全く覆すような実験である。 このような、系の全体では平衡ではないが部分的に平衡状態が保たれた状況を「広義の準静的過程」だと見なすことがある。 「広義の準静的過程」を含める場合、可逆過程だとは限らないということだ。
     これで何が起こるかを分析してみよう。
     容器Aの中の気体の一部分、例えば体積 Va が容器Bへと流れると、そこでは圧力が違うので体積に変化があるだろう。 それで Vb になったとする。 その時にこの「移動した気体」の内部エネルギーにはどれほどの変化があるだろうか。
     この気体は圧力 pa で押し出されて出て行った。 つまり pa Va の仕事をされた。 そして圧力 pb が掛かっているところへ押し入って行った。 そ

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    ジュール・トムソン効果
    恩恵を受けているにも関わらず、 誤解は大きい。
    実験の改良
     2つ前に話した「ゲイリュサック・ジュールの実験」を思い出してもらいたい。 熱力学は熱平衡に達した状態での状態量の関係を論じる学問だから、気体が真空中に広がろうとしている途中での状態に対してはあまり確かなことが言えない。 内部エネルギーが体積変化に依存しないとは言っても途中ではどうなっているんだと突付かれると困ってしまう。 しかもこの実験は一瞬で終わってしまうので精密な測定が難しい。
     そこでこの実験を改良して、容器の間を繋いでいたパイプの中に綿を詰めて、気体がゆっくり真空中へもれるようにしたらどうだろうか。 熱平衡に近い状態を保ったまま変化し続ける状況が作り出せるだろう。
     この実験で面白いことが起こる。 容器Aから容器Bへゆっくりと気体を噴き出させると、容器Bの側の気体の温度が変化するのだ。 この現象を「ジュール・トムソン効果」と呼ぶ。 なぜこんなことが起こるのだろう?
     それを考える前にこの実験装置の他の改良点についても確認しておこう。
     まず容器Aと容器Bをつなぐ管の中に綿を詰めた。 こ..

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