이상기체가 아닌, 실제 기체가 엔탈피가 일정한 상태에서 (at constant enthalpy) (기체로 또는 로부터의 열전달이 없고, 외부 일이 없음 등의 경우) 팽창된다면, 팽창에 의해 냉각되거나 가열 될 수 있습니다.
Joule-Thomson process (즉, 엔탈피가 일정)에서 압력과 온도의 시간에 따른 변화를 가리켜 Joule-Thomson Coefficient (줄-톰슨 계수) 라고 합니다. 이 계수는 기체의 부피, 일정 온도에서의 비열 (Cp), 그리고 열팽창 계수의 관점에서 다음과 같이 표현됩니다.
여기서 JT 는 Joule-Thomson 의미하며, 보통 생략하고 µ 만 사용.
이 계수는 기체의 종류와 팽창 전 기체의 온도와 압력 값에 따라 변합니다.
[대기압 조건에서, 다양한 기체의 Joule-Thomson Coefficient 변화]
모든 기체는 계수의 부호가 바뀌는 (즉 0 이 되는) 점을 갖습니다. 이 점을 가리켜 inversion point 라고 합니다. 이 지점에서의 온도를 Joule-Thomson inversion temperature 라고 하고, 팽창 전 기체의 압력에 따라 변하게 됩니다.
기체가 팽창하고, 압력이 감소하면서, dP 의 부호는 정의에 의해 음(-) 으로 변하게 됩니다. 아래표는 Joule-Thomson 효과가 벌어지는 상황을 설명한 것입니다.
헬륨과 수소는 1 기압 조건에서 Joule-Thomson inverson temperature 가 매우 낮은 기체입니다 (헬륨의 경우 약 섭씨 - 222 도씨, 51 K). 그래서 헬륨과 수소는 상온 및 1 기압, 등엔탈피 (constant enthalpy) 조건에서 팽창하게 되면 따뜻해지게 됩니다. 질소와 산소는 반대로 현상이 발생됩니다.
Physical mechanism
기체가 팽창하면서, 분자간의 평균 거리는 멀어집니다. 분자간 반발력 (반 데르 발스 힘) 에 의해, 팽창된 기체의 potential 에너지는 증가하게 됩니다. 이 과정 중에서 외부 일이 없었고, 열전달이 없다고 한다면, 기체의 전체 에너지는 에너지 보존에 의해 변화가 없게 됩니다. Potential 에너지의 증가에 의해 kinetic 에너지는 감소하게 되고 이에 따라 온도도 감소하게 됩니다.
두번째 메커니즘은 반대의 결과를 갖습니다. 기체 분자가 충돌하는 동안에 kinetic 에너지가 일시적으로 potential 에너지로 변환됩니다. 그리고 평균 분자간의 거리가 증가함에 따라서 평균 potential 에너지 감소를 유발시키는 단위 시간당 분자의 충돌 횟수가 줄어듭니다. 즉 평균 potential 에너지가 감소하게 되고, 이 경우도 에너지는 보존되어야 하기 때문에 kinetic 에너지 (온도)의 증가를 유발합니다.
Joule-Thomson 의 inversion 온도보다 낮을 때는, 처음 메커니즘이 중요하고, 팽창은 온도를 떨어뜨립니다.
Joule-Thomson 의 inversion 온도보다 높을 때는, 두번째 메커니즘이 중요해지고, 기체 분자는 더 빠르게 움직이고 더 많이 충돌하게 됩니다. 그래서 Joule-Thomson 팽창은 온도를 상승시키게 됩니다.
생활에서의 볼 수 있는 이 현상은...
부탄가스를 사용하게되면 부탄가스 표면이 차갑게 되는 현상.
탄산 음료수 병뚜껑을 개봉하기 전에 내부에는 아무것도 없었는데... 개봉하는 순간, 탄산음료 표면 위로 안개같은게 형성됩니다. 이는 온도가 하강에서 주변기체 (아마 수증기?)가 응결된 것입니다.
이렇게 갑작스런 압력의 하강으로 온도가 하강되는 현상을 종종 볼 수 있습니다. 이것이 바로 Joule-Thomson effect 입니다.
** 참고
"Perry's Chemical Engineers' Handbook" provides tabulations of µ versus temperature and pressure for a number of gases, as do many other reference books. For most gases at atmospheric pressure, the inversion temperature is fairly high (above room temperature), and so most gases at those temperature and pressure conditions are cooled by isenthalpic expansion.
** 출처
