ஜூல்-தாம்சன் விளைவு

வெப்பவியக்கவியலில், ஜூல்-தாம்சன் விளைவு (Joule–Thomson effect) அல்லது ஜூல்-கெல்வின் விளைவு (Joule–Kelvin effect) என்பது வாயு அல்லது திரவம் ஒன்று, சிறு திறப்பு அல்லது நுண்துளை அடைப்பான் ஊடாகச் செலுத்தப்படும் போது, வெப்பம் எதுவும் சுற்றுச்சூழலுக்கு இழக்காமல் இருக்கும் போது அதன் வெப்பநிலை மாற்றம் அடைவதைக் குறிக்கும் விளைவு ஆகும். இது முறுக்குதல் நிகழ்வு (throttling process) என அழைக்கப்படும். அறை வெப்பநிலையில், ஹைட்ரஜன், ஹீலியம், நியான் ஆகியவை தவிர்ந்த வாயுக்கள் ஜூல்-தாம்சன் விளைவினால் விரிவடையும் போது குளிர்ச்சி அடைகின்றன.

இவ்விளைவு ஜேம்ஸ் பிரிஸ்காட் ஜூல், வில்லியம் தாம்சன் ஆகியோரின் பெயரால் அழைக்கப்படுகின்றது. 1852 ஆம் ஆண்டில் இவர்கள் இதனைக் கண்டுபிடித்தனர்.

விளக்கம்

சிறு திறப்பு வழியாக ஒரு வளியானது விரிவடையும் போது பொதுவாக குளிர்ச்சி ஏற்படுகிறது. இது திறப்பின் இருபக்கமும் உள்ள வளியின் அழுத்த வேறுபாட்டைப் பொறுத்திருக்கிறது. இதற்குக் காரணம் வளி விரிவடையும் போது வளிமூலக்கூறுகள் தங்களுக்கு இடையேயுள்ள கவர்ச்சி விசைக்கு எதிராகச் செயல்படுவதாகும். இதற்குத் தேவையான ஆற்றல் அவ்வளியிலிருந்தே பெறப்படுகிறது. வெப்பநிலை மாற்றம், வளியானது பாயில் விதியிலிருந்து மாறுபடுவதாலும் தோன்றக்கூடும். இது குளிர்வதாகவோ அல்லது வெப்பநிலை கூடுவதாகவோ இருக்கும். இந்த விளைவிற்கு வளியின் முதல் வெப்பநிலையும் அழுத்த வேறுபாடுமே காரணங்கள். இவ்விரு விளைவுகளின் முடிவான பயன் ஜூல்-தாம்சன் விளைவாக இருக்கிறது. கொடுக்கப்பட்ட ஒரு சராசரி அழுத்தத்தில் , எந்த வெப்பநிலையில் இவ்விரு விளைவுகளும் சமநிலையில் இருக்கிறதோ அந்த வெப்பநிலை 'நிலைமாறு வெப்பநிலை' (Temperature of inversion) எனப்படும். இந்த வெப்பநிலைக்குக் கீழான வெப்பநிலையில் விரிவடையும் போது குளிர்ச்சியும் இல்லாவிடில் வெப்ப அதிகரிப்பும் தோன்றும்.

ஜூல்-தாம்சன் (கெல்வின்) குணகம்

வளிமண்டல அமுக்கத்தில் வெவ்வேறு வளிமங்களுக்கு ஜூல்-தாம்சன் குணகங்கள்

ஜூல்-தாம்சன் விளைவு ஒன்றில், மாறா வெப்ப அடக்கத்தில் $H$, அழுத்தம் $P$ உடன் வெப்பநிலை மாறுவீதம் $T$ ஜூல்-தாம்சன் (கெல்வின்) குணகம் (Joule–Thomson (Kelvin) coefficient ${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}$) எனப்படும். இக்குணகம் வளிமத்தின் கனவளவு $V$, மாறா அழுத்தத்தில் அதன் வெப்பக் கொண்மை $C_{\mathrm{p}}$, அதன் வெப்பவிரிவுக்கெழு $\alpha$ ஆகியவற்றில் பின்வருமாறு தரப்படும்:

${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}={\left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)}_H=\frac{V}{C_{\mathrm{p}}}(\alpha T-1)$

${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}$ இன் மதிப்பு °C/பார் (SI அலகுகளில்: K/Pa) இல் தரப்படும். இது வளிமத்தின் வகையிலும், அது விரிவடைவதற்கு முன்னர் அதன் வெப்பநிலை, மற்றும் அழுத்தத்திலும் தங்கியிருக்கும்.

அனைத்து உண்மை வாயுக்களுக்கும் ஒரு நேர்மாற்றுப் புள்ளி (inversion point) காணப்படும். இப்புள்ளியில் ${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}$ இன் குறி மாறும். இப்புள்ளியில் வெப்பநிலை, ஜூல்-தாம்சன் நேர்மாறு வெப்பநிலை, விரிவடைவதற்கு முன்னர் வளிமத்தின் அழுத்தத்தில் தங்கியிருக்கும்.

உண்மை வாயு ஒன்றை எப்போது ஜூல்-தாம்சன் விளைவு குளிர அல்லது சூடாக்கும் என்பதைப் பின்வரும் பட்டியல் தெரிவிக்கிறது:

வளிம வெப்பநிலை	${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}$	$\partial P$ என்பது	$\partial T$	வளிமம்
நேர்மாறு வெப்பநிலையைவிடக் குறைவாக இருக்கும் போது	நேர்க்குறி	எப்போதும் எதிர்க்குறி	எதிர்க்குறி	குளிர்கிறது
நேர்மாறு வெப்பநிலையை விடக் கூடவாக இருக்கும் போது	எதிர்க்குறி	எப்போதும் எதிர்க்குறி	நேர்க்குறி	சூடாகிறது

ஈலியம், நீரியம் ஆகியவற்றிற்கு ஒரு வளிமண்டல அமுக்கத்தில் ஜூல்-தாம்சன் நேர்மாறு வெப்பநிலை மிகக் குறைவு (உ-ம்: ஈலியத்திற்கு 51 K (−222 °C)). நைதரசன், ஆக்சிசன் ஆகியவற்றிற்கு, நேர்மாறு வெப்பநிலை முறையே 621 K (348 °C), 764 K (491 °C) ஆகும்.

இலட்சிய வாயு ஒன்றிற்கு, ${\mu }_{\mathrm{J}\mathrm{T}}$ எப்போதும் சுழியமாக இருக்கும்.