Джоуля — Томсона ефект, зміна температури газу в результаті повільного протікання його під дією постійного перепаду тиску крізь дросель — місцеву перешкоду потоку газу (капіляр, вентиль або пористу перегородку, розташовану в трубі на дорозі потоку). Перебіг газу крізь дросель (дроселювання ) повинен відбуватися без теплообміну газу з довкіллям (адіабатично).
Д. — Т. е. був виявлений і досліджений англійським ученими Дж. Джоулем і В. Томсоном в 1852—62. У дослідах Джоуля і Томсона вимірювалася температура в двох послідовних перетинах безперервного і стаціонарного потоку газу (до дроселя і за ним, мал. 1 ). Значне тертя газу у дроселі (дрібнопористій пробці з вати) робило швидкість газового потоку нікчемно малою, так що при дроселюванні кінетична енергія потоку була дуже мала і практично не мінялася. Завдяки низькій теплопровідності стінок труби і дроселя теплообмін між газом і зовнішнім середовищем був відсутній. При перепаді тиску на дроселі D p = p 1 — р 2 , рівному 1 атмосфері (1,01×10 5 н/м 2 ), виміряна різниця температур D T = T 2 — T 1 для повітря склала — 0,25°С (досвід проводився при кімнатній температурі). Для вуглекислого газу і водню в тих же умовах D Т виявилася, відповідно, рівною -1,25 і +0,02°С.
Д. — Т. е. прийнято називати позитивним, якщо газ в процесі дроселювання охолоджується (D Т < 0), і негативним, якщо газ нагрівається (D Т > 0).
Згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини, Д. — Т. е. свідчить про наявність в газі сил міжмолекулярної взаємодії (виявлення цих сил було метою дослідів Джоуля і Томсона). Дійсно, при взаємному тяжінні молекул внутрішня енергія ( U ) газу включає як кінетичну енергію молекул, так і потенційну енергію їх взаємодії. Розширення газу в умовах енергетичної ізоляції не міняє його внутрішній енергії, але приводить до зростання потенційної енергії взаємодії молекул (оскільки відстані між ними збільшуються) за рахунок кінетичної. В результаті тепловий рух молекул сповільниться, температура газу, що розширюється, знижуватиметься. Насправді процеси, що приводять до Д. — Т. е., складніше, т.к. газ не ізольований енергетично від зовнішнього середовища. Він здійснює зовнішню роботу (подальші порції газу, праворуч від дроселя тіснять попередні), а зліва від дроселя над самим газом здійснюють роботу сили зовнішнього тиску (що підтримують стаціонарність потоку). Це враховується при складанні енергетичного балансу в дослідах Джоуля — Томсона. Робота продавлювання через дросель порції газу, що займає до дроселя об'єм V 1 , рівна p 1 V 1 . Ця ж порція газу, займаючи за дроселем об'єм V 2 , здійснює роботу p 2 V 2 . Виконана над газом результуюча зовнішня робота A = p 1 V 1 — p 2 V 2 може бути як позитивна, так і негативна. У адіабатичних умовах вона може піти лише на зміну внутрішній енергії газу: A = U 2 — U 1 . Звідси, знаючи рівняння стану газу і вираження для U , можна знайти D T .
Величина і знак Д. — Т. е. визначаються співвідношенням між роботою газу і роботою сил зовнішнього тиску, а також властивостями самого газу, зокрема розміром його молекул.
Для ідеального газу, молекули якого розглядаються як матеріальні крапки, що не взаємодіють між собою, Д. — Т. е. дорівнює нулю.
Залежно від умов дроселювання один і той же газ може як нагріватися, так і охолоджуватися. Температура, при якій (для даного тиску) різниця D T , проходячи через нульове значення, міняє свій знак, називається температурою інверсії Д. — Т. е. Типова крива залежності температури інверсії від тиску показана на мал.(малюнок) 2. Крива інверсії відокремлює сукупність станів газу, при переході між якими він охолоджується, від станів, між якими він нагрівається. Значення верхніх температур інверсії ( T i, max , мал. 2 ) для ряду газів приведені в таблиці.
Д. — Т. е., що характеризується малими значеннями D T при малих перепадах тиску D р , називають диференціальним. При великих перепадах тиску на дроселі температура газу може змінюватися значно. Наприклад, при дроселюванні від 200 до 1 атмосфери і початковій температурі 17°С повітря охолоджується на 35°С. Цей інтегральний ефект покладений в основу більшості технічних процесів зріджування газів .
Літ.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. І., Ліфшиц Е. М., Курс загальної фізики. Механіка і молекулярна фізика, М., 1965; Ландау Л. Д., Ліфшиц, Е. М., Статистична фізика, М., 1964 (Теоретична фізика, т. 5); Зоммерфельд А., Термодинаміка і статистична фізика, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1955; Леонтович М. А., Введення в термодинаміку, 2 видавництва, М. — Л., 1952.
