一、节流膨胀实验（多孔塞实验）

         焦耳实验过于粗糙，难以观察出应有的变化，后来在汤姆生 (Thomson) 的建议下，焦耳和汤姆生二人共同进行了节流膨胀实验。实验的结果为致冷技术和气体的液化方法提供了重要的理论根据。

下为一节流膨胀实验装置

      在一绝热容器 AA ′ 的中间装有以棉花或其它多孔物质构成的多孔塞，塞的两边容有压力分别为 p 1 和 p 2 的同一气体。 ( p 1 > p 2 ) 。当缓慢推动左边活塞使气体流经多孔塞并进入右边容器中，右边气体膨胀向外推动活塞而使提及膨胀。整个过程进行得非常缓慢，以至于两边气体压力基本上保持不变。左、右两边气体的温度分别可用 T 1 和 T 2 两温度计观测。

设有气体的物质的量 n 自左边容器进入右边容器，它在左边温度 T 2 压力为 p 2 所占有体积为 V 2 。

实验是在绝热条件下进行的， 过程 Q =0 。由第一定律

ΔU = W a =-[ p 2 V 2 +(- p 1 V 1 )] = p 1 V 1 - p 2 V 2

又 ΔU = U 2 - U 1

∴     U 2 - U 1 = p 1 V 1 - p 2 V 2

U 2 + p 2 V 2 = U 1 + p 1 V 1

或

可见节流膨胀过程为一 “ 等焓过程 ” 。

二、焦耳－汤姆生系数 ( μ J-T )

由实验观测出在节流膨胀中，气体压力变化的同时，往往也发生温度的变化。常定义焦耳－汤姆生系数 μ J-T 以表示节流膨胀中温度随压力变化关系：

（1-52）

或

（1-53）

后者为较大温度范围内的平均值。

μ J-T >0 表示节流膨胀后气体温度下降；

μ J-T <0 表示节流膨胀后气体温度升高；

μ J-T =0 表示节流膨胀后气体温度不变；

三、 等焓线与转化曲线：

为了求 μ J-T 的值，必须作出等焓线，这要作若干个节流过程实验，在 T-P 图上得到若干个点，将点连结就是等焓线。如图 1-15 。在线上任意一点的切线，就是该温度压力下的 μ J-T 值。显然，在点 3 左侧， μ J-T >0 ；在点 3 右侧， μ J-T 〈 0 ；

在点 3 处， μ J-T =0.

转化曲线：

选择不同的起始状态 P 1 T 1 ，作若干条等焓线。将各条等焓线的极大值相连，就得到一条虚线，将 T-p 图分成两个区域。该虚线称为 转化曲线。 在虚线以左， μ J-T >0 ，是致冷区，在这个区内，可以把气体液化；虚线以右， μ J-T < 0 ，是致热区，气体通过节流过程温度反而升高。

如图 1-16 所示：

         显然，工作物质（即筒内的气体）不同，转化曲线的 T,p 区间也不同。例如， N 2 的转化曲线温度高 ， N 2 气能液化的范围大；而 H 2 和 He 则很难液化。 图 1-17 为不同气体在等焓条件下温度随压力变化的实验曲线。

四、气体的致冷液化

        焦耳－汤姆生效应在工业上主要应用于气体的液化和致冷技术。图 1-18 为林得 (Linde) 冷冻机原理图。在转换温度以下气体绝热膨胀时其温度将降低，利用图中所示压缩机使气体压缩后，先用一组散热片使压缩时产生的热量散失一部分，再通过膨胀阀绝热膨胀冷却后的气体又回至压缩机重新压缩，过程反复进行，温度可降至气体沸点之下而使之液化。氮的沸点为 77.2K ，转换温度为 620.63K ；氧的沸点为 90.2K ，转换温度为 764.43K 。目前工业上制氧，主要应用上法自空气中使氧先液化，以达到氧、氮分离的目的。