Hiệu ứng Joule-Thomson/Joule-Kelvin (Joule-Thomson Effect/Joule-Kelvin Effect)

Cơ chế

Hiệu ứng Joule-Thomson xuất phát từ sự tương tác giữa các phân tử của chất khí hoặc chất lỏng, cụ thể là sự cân bằng giữa lực hút và lực đẩy giữa các phân tử. Khi chất khí giãn nở qua van tiết lưu, khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên. Quá trình giãn nở đẳng enthalpy này làm thay đổi nội năng của hệ, và do đó làm thay đổi nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ này có thể là tăng hoặc giảm, phụ thuộc vào điều kiện ban đầu (nhiệt độ và áp suất) và bản chất của chất.

• Lực hút phân tử (Vander Waals): Ở nhiệt độ đủ thấp, lực hút giữa các phân tử chiếm ưu thế. Khi các phân tử bị kéo ra xa nhau trong quá trình giãn nở, năng lượng tiềm năng của hệ tăng lên. Vì quá trình là đẳng enthalpy và đoạn nhiệt, sự tăng năng lượng tiềm năng này phải được bù đắp bằng sự giảm động năng trung bình của các phân tử, dẫn đến giảm nhiệt độ.
• Lực đẩy phân tử: Ở nhiệt độ cao, lực đẩy giữa các phân tử (do kích thước hữu hạn của chúng) trở nên đáng kể. Khi giãn nở, các phân tử di chuyển ra xa nhau, làm giảm năng lượng tiềm năng của hệ. Do đó, động năng trung bình của các phân tử tăng lên, dẫn đến tăng nhiệt độ.
• Đối với khí lý tưởng: Khí lý tưởng không có tương tác giữa các phân tử, do đó không có sự thay đổi năng lượng tiềm năng khi giãn nở. Vì vậy, không có hiệu ứng Joule-Thomson (nhiệt độ không đổi).

Hệ số Joule-Thomson

Mức độ thay đổi nhiệt độ trong quá trình Joule-Thomson được định lượng bằng hệ số Joule-Thomson ($ \mu_{JT} $). Hệ số này được định nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị thay đổi áp suất trong quá trình đẳng enthalpy:

$ \mu_{JT} = \left( \frac{\partial T}{\partial P} \right)_H $

Trong đó:

• $T$ là nhiệt độ.
• $P$ là áp suất.
• $H$ là enthalpy.

Hệ số Joule-Thomson có thể dương, âm hoặc bằng không, tùy thuộc vào chất và điều kiện vận hành (nhiệt độ và áp suất ban đầu của chất). Giá trị của hệ số này cho biết chất đó sẽ nóng lên hay lạnh đi khi giãn nở:

• $ \mu_{JT} > 0 $: Giãn nở dẫn đến làm mát (giảm nhiệt độ).
• $ \mu_{JT} < 0 $: Giãn nở dẫn đến nóng lên (tăng nhiệt độ).
• $ \mu_{JT} = 0 $: Nhiệt độ không đổi. Điểm này ứng với nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson. Ở nhiệt độ ban đầu cao hơn nhiệt độ nghịch đảo, chất khí sẽ nóng lên khi giãn nở; ở nhiệt độ ban đầu thấp hơn nhiệt độ nghịch đảo, chất khí sẽ lạnh đi khi giãn nở.

Giá trị của $\mu_{JT}$ có thể được biểu diễn qua các đại lượng nhiệt động khác như nhiệt dung đẳng áp $C_p$ và hệ số giãn nở nhiệt $\alpha$:

$ \mu_{JT} = \frac{V}{C_p}(\alpha T – 1) $

Với $V$ là thể tích mol.

Ứng dụng

Hiệu ứng Joule-Thomson có nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực làm lạnh và điều hòa không khí. Nó là nguyên lý hoạt động của tủ lạnh và máy điều hòa không khí, nơi chất làm lạnh (ví dụ: freon) được giãn nở đẳng enthalpy để làm mát. Hiệu ứng này cũng được sử dụng trong quá trình hóa lỏng khí, chẳng hạn như sản xuất nitơ lỏng và oxy lỏng. Cụ thể:

• Hóa lỏng khí: Trong quy trình Linde-Hampson để hóa lỏng không khí, không khí nén được làm lạnh bằng cách cho giãn nở qua van tiết lưu. Quá trình làm lạnh lặp lại nhiều lần, kết hợp với trao đổi nhiệt, cho phép đạt đến nhiệt độ rất thấp và hóa lỏng không khí.
• Làm lạnh: Trong các hệ thống làm lạnh, hiệu ứng Joule-Thomson được sử dụng để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ cần thiết cho quá trình làm lạnh.

Kết luận:

Hiệu ứng Joule-Thomson là một hiện tượng nhiệt động lực học quan trọng, mô tả sự thay đổi nhiệt độ của chất khí hoặc chất lỏng khi giãn nở đẳng enthalpy. Hiệu ứng này có nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực làm lạnh và hóa lỏng khí. Hiểu rõ về hiệu ứng Joule-Thomson là rất quan trọng cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống nhiệt động lực học.

Nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson

Như đã đề cập, nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson ($T_i$) là nhiệt độ tại đó hệ số Joule-Thomson bằng không ($\mu_{JT} = 0$). Nói cách khác, đó là nhiệt độ mà tại đó, quá trình giãn nở đẳng enthalpy không làm thay đổi nhiệt độ của chất. Ở nhiệt độ trên $T_i$, chất khí nóng lên khi giãn nở đẳng enthalpy ($\mu_{JT} < 0$). Ở nhiệt độ dưới $T_i$, chất khí lạnh đi khi giãn nở đẳng enthalpy ($\mu_{JT} > 0$). Giá trị của $T_i$ phụ thuộc vào bản chất của chất khí và *ít phụ thuộc* vào áp suất.

Mối liên hệ giữa $\mu_{JT}$, $C_p$ và hệ số giãn nở nhiệt ($\alpha$)

Phần này đã được trình bày ở trên, nhưng tôi nhắc lại để liền mạch nội dung:

Hệ số Joule-Thomson có thể được biểu diễn theo các đại lượng nhiệt động lực học khác như nhiệt dung đẳng áp ($C_p$) và hệ số giãn nở nhiệt ($\alpha$):

$ \mu_{JT} = \frac{1}{C_p} \left[ T \left( \frac{\partial V}{\partial T} \right)_P – V \right] = \frac{V}{C_p} (T \alpha – 1) $

Trong đó:

• $V$ là thể tích mol.
• $\alpha = \frac{1}{V}(\frac{\partial V}{\partial T})_P $ là hệ số giãn nở nhiệt đẳng áp.

Công thức này cho thấy mối quan hệ giữa hiệu ứng Joule-Thomson và các tính chất vật lý khác của chất. Nó cũng giải thích tại sao $\mu_{JT}$ có thể dương, âm hoặc bằng không.

Ví dụ về hiệu ứng Joule-Thomson

• Khí Heli và Hydro: Ở nhiệt độ phòng, heli và hydro có nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson *rất thấp* (thấp hơn nhiều so với nhiệt độ phòng). Điều này có nghĩa là chúng nóng lên khi giãn nở đẳng enthalpy ở nhiệt độ phòng. Để làm lạnh heli và hydro bằng hiệu ứng Joule-Thomson, chúng cần được làm lạnh trước đến nhiệt độ dưới nhiệt độ nghịch đảo của chúng.
• Khí Nitơ và Oxy: Ở nhiệt độ phòng, nitơ và oxy có nhiệt độ nghịch đảo Joule-Thomson cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng. Do đó, chúng lạnh đi khi giãn nở đẳng enthalpy ở nhiệt độ phòng. Đây là nguyên lý được sử dụng để hóa lỏng các khí này (quy trình Linde).
• Khí CO2: Khí CO2 cũng có nhiệt độ nghịch đảo cao hơn nhiệt độ phòng, và hiệu ứng làm lạnh khi giãn nở của CO2 được ứng dụng trong các bình chữa cháy CO2. Khi CO2 được phun ra từ bình, nó giãn nở nhanh và làm lạnh đáng kể, giúp dập tắt đám cháy.

So sánh giãn nở đẳng enthalpy và giãn nở đẳng nhiệt

Điều quan trọng là phải phân biệt giữa giãn nở đẳng enthalpy (quá trình Joule-Thomson) và giãn nở đẳng nhiệt. Trong giãn nở đẳng nhiệt, nhiệt độ được giữ không đổi bằng cách cho hệ trao đổi nhiệt với môi trường, trong khi trong giãn nở đẳng enthalpy, enthalpy được giữ không đổi (quá trình đoạn nhiệt). Sự thay đổi nhiệt độ (nếu có) trong quá trình giãn nở đẳng nhiệt là do công được thực hiện bởi hoặc trên hệ thống, và sự trao đổi nhiệt với môi trường. Trong quá trình Joule-Thomson, không có sự trao đổi nhiệt với môi trường; sự thay đổi nhiệt độ hoàn toàn là do sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng tương tác giữa các phân tử.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2015). Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Education.
• Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao hiệu ứng Joule-Thomson lại quan trọng trong kỹ thuật lạnh?