ジュール＝トムソン効果

ジュール＝トムソン効果：気体の膨張と温度変化

ジュール＝トムソン効果は、多孔質壁を通して気体を膨張させる際に、温度変化が観測される現象です。1852年に発見されたこの効果は、ジェームズ・プレスコット・ジュールとウィリアム・トムソン（ケルビン卿）によって1861年に理論的に説明されました。現在では、気体の液化など、様々な産業において重要な役割を担っています。

ジュール＝トムソン膨張：効果の基礎

ジュール＝トムソン効果は、ジュール＝トムソン膨張という過程を通して現れます。これは、多孔質壁で仕切られた二つの部屋を用意し、一方の部屋から他方の部屋へ気体を押し出す過程です。この際、両方の部屋の圧力を一定に保つことが重要です。圧力レギュレーターで調整されたガスを多孔質材を通して大気中に放出する状況が、この膨張の良い例と言えるでしょう。

この膨張において、気体の温度が上昇するか下降するかは、膨張前の温度に依存します。温度の上昇と下降が入れ替わる温度を逆転温度と呼びます。この温度変化は、分子間距離が増大する際に、分子間力が仕事をすることによって引き起こされます。そのため、分子間力が無視できる理想気体では、この効果は観測されません。

ジュール＝トムソン膨張は、高圧気体の冷却に有効な手段です。ただし、液化気体の気化熱による冷却や断熱膨張による冷却とは異なる現象であることに注意が必要です。

ジュール＝トムソン係数：効果の指標

ジュール＝トムソン膨張は断熱過程ですが、不可逆過程であり、エントロピーは増加します。一方、始状態と終状態でのエンタルピーは変化しません。この等エンタルピー過程において、圧力と温度の関係を表す状態空間（T-p図）上に描かれた等エンタルピー曲線の傾きが、ジュール＝トムソン係数です。

この係数は温度と圧力の関数であり、ジュール＝トムソン効果の大きさを示す指標となります。係数が正の場合、膨張に伴って温度は低下し、負の場合には上昇します。逆転温度では係数はゼロとなります。

熱力学の状態方程式を用いることで、ジュール＝トムソン係数は、等圧熱容量と熱膨張係数で表すことができます。理想気体の場合、熱膨張係数が温度の逆数となるため、ジュール＝トムソン係数は常にゼロとなり、温度変化は起こりません。したがって、ジュール＝トムソン効果は実在気体に固有の現象と言えるのです。

実在気体への適用：ファン・デル・ワールス気体

実在気体の状態方程式をビリアル展開で表現することで、ジュール＝トムソン係数を計算することができます。例えば、ファン・デル・ワールス気体の場合、低温領域で係数が正となることがわかります。低圧領域では、逆転温度はボイル温度と臨界温度によって表すことができます。

ジュール＝トムソン膨張と準静的断熱膨張の比較

同じ圧力差の膨張において、準静的断熱膨張の方が、ジュール＝トムソン膨張よりも気体の温度を下げることができます。準静的断熱膨張では、気体の熱膨張係数が正であるため、常に温度が低下します。しかし、気体の液化においては、技術的に簡便なジュール＝トムソン膨張が広く用いられています。

まとめ

ジュール＝トムソン効果は、気体の膨張に伴う温度変化を説明する重要な現象です。その原理を理解し、ジュール＝トムソン係数や逆転温度といった概念を学ぶことで、気体の性質や状態変化に対する理解を深めることができます。また、理想気体との比較を通して、実在気体の特性をより深く理解することができます。この効果は、気体の液化など、様々な産業プロセスにおいて重要な役割を果たしており、今後もその応用範囲は広がっていくと考えられます。

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