焦耳-湯姆孫效應

各種氣體定律說明了溫度、壓力和體積。當體積不可逆回地上升，這些定律不能清楚說明壓力和溫度的改變。而在可逆絕熱過程中，氣體膨脹做了正功，因此溫度下降。

可是，真實氣體（相對理想氣體而言）在等焓環境下自由膨脹，溫度會上升或下降（是哪方看初始溫度而定）。對於給定壓力，真實氣體有一個焦耳-湯姆孫反轉溫度，高於溫度時氣體溫度會上升，低於時氣體溫度下降，剛好在這溫度時氣體溫度不變。許多氣體的在1大氣壓力下的反轉溫度高於室溫。

在焦耳-湯姆孫過程，溫度隨壓力的改變稱為焦耳-湯姆孫系數：

${\displaystyle \mu _{JT}=\left({\partial T \over \partial P}\right)_{H}}$

對於不同氣體，在不同壓力和溫度下，${\displaystyle \mu _{JT}}$的值不同。${\displaystyle \mu _{JT}}$可正可負。考慮氣體膨脹，此時壓力必下降，故${\displaystyle dP<0}$。

${\displaystyle \mu _{JT}}$是	因為${\displaystyle dP}$是	因此${\displaystyle dT}$必是	氣體
+	-	-	冷卻
-	-	+	變暖

若${\displaystyle \mu _{JT}=0}$，則溫度不隨壓力也不隨體積而變，此時氣體位於反轉點，而此溫度稱之反轉溫度。

氦和氫在1個大氣壓力下，反轉溫度相當低（例如氦便是−222℃）。因此，這兩種氣體在室溫膨脹時溫度上升。

對於理想氣體，${\displaystyle \mu _{JT}=0}$。

溫度下降：當氣體膨脹，分子之間的平均距離上升。因為分子間吸引力，氣體的位能上升。因為這是等焓過程，系統的總能量守恆，所以位能上升必然會令動能下降，故此溫度下降。

溫度上升：當分子碰撞，動能暫時轉成位能。由於分子之間的平均距離上升，每段時間的平均碰撞次數下降，位能下降，因此動能上升，溫度上升。

低於反轉溫度時，前者的影響較為明顯，高於反轉溫度時，後者影響較明顯。

很容易证实，对于由合适的微观假设定义的理想气体，αT = 1，因此在焦耳-汤姆逊膨胀下这种理想气体的温度变化为零。对于这样一种理想的气体，这个理论结果意味着：

理想气体的固定质量的内部能量仅取决于其温度（而非压力或体积）。

这个规则最初是由焦耳实验发现的，它被称为焦耳第二定律。当然，更精确的实验发现了重要的偏差。 [1][2][3]

• Zemansky, M.W. . McGraw-Hill. 1968., p.182, 335
• Schroeder, Daniel V. . Addison Wesley Longman. 2000., p.142
• Kittel, C., and Kroemer, H. . W.H. Freeman and Co. 1980.
• Perry, R.H. and Green, D.W. . McGraw-Hill Book Co. 1984. ISBN 978-0-07-049479-4.

1. Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1 Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London, pp. 614–615.
2. Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK, ISBN 0-521-25445-0, p. 116.
3. Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 81.