Fojtás (termodinamika)

Ideális gáz fojtása a hőmérséklet-entrópia diagramban

Nedves gőz fojtása a hőmérséklet-entrópia diagramban

A fojtás olyan termodinamikai folyamat, állapotváltozás, melynek során a közeg entalpiája nem változik. Fojtás megy végbe egy közegnek porózus anyaggal kitöltött csövön átáramlásakor vagy a csővezetékbe kis nyílással ellátott szűkítőt vagy részben lezárt szelepet helyezve. A fojtás tipikusan irreverzibilis (nem megfordítható) folyamat, mindig a nagyobb nyomású állapotból a kisnyomású állapot felé megy végbe. Ideális gázok esetén a fojtás alkalmával nemcsak az entalpia, hanem a hőmérséklet is változatlan marad. Telített gőzök esetén fojtásnál a hőmérséklet csökken és a fajlagos gőztatalom nő. Túlhevített gőz esetén a hőmérséklet csak kis mértékben változik.

A fojtás folyamán a közeg fajlagos munkát veszít, melynek mértéke

$Q = - \int\limits_{1}^{2} vdp$,

ahol v a fajlagos térfogat, p a nyomás.

A fojtás irreverzibilis folyamat, entrópianövekedéssel jár. A fojtás során bekövetkező entrópianövekedés:

$\Delta s = - R \int\limits_{1}^{2} \frac {dp}{p} = R \ln \frac {p_1}{p_2}$,

Úgy lehet venni, hogy a fojtás nem más mint a közeg hasznos munkavégzés nélküli expanziója. Gáz expanziójánál jól követhető a T-s diagramban, hogy a szűkítőnyíláson áthaladó gáz sebessége először megnő egy adiabatikus expanzió folytán, hőmérséklete is leesik, majd az örvénylés folyamán a belső surlódás felemészti a sebességet és a közeg mozgási energiája fokozatosan hőenergiává alakul: felmelegíti a közeget.

A fojtást a műszaki életben gyakran alkalmazzák. A kissé kinyitott vízcsapon a kiömlő víz fojtást szenved. Minden részben kinyitott elzárószerelvény fojtást okoz. Ha egy szivattyú, kompresszor vagy turbina teljesítményét fojtással szabályozzák, akkor részterheléseken a gép hatásfoka romlik. A kis (háztartási) hűtőgépekben expanziós gép helyett fojtást alkalmaznak nyomáscsökkentésre. Ez valamit ront a hűtőgép fogyasztásán, de sokkal egyszerűbbé és olcsóbbá teszi a szerkezetet.

Joule-Thomson együttható

A fojtást a két tudósról, akik behatóan foglalkoztak a jelenséggel Joule-Thomson vagy Joule-Kelvin folyamatnak is hívják. William Thomson (1866-ban nyerte el a Lord Kelvin címet) és James Prescott Joule közös munkájának eredménye volt a Joule-Thomson (Kelvin) együttható meghatározása. Az együttható a valóságos gázok $T$ hőmérsékletének változási sebessége az izentalpikus (fojtásos, $H=const$) állapotváltozás közben $p$ nyomás függvényében:

$\mu_{JT} \equiv \left( {\partial T \over \partial p} \right)_H = \frac{V}{C_{p}}\left(\alpha T - 1\right)\,$

ahol:

• $V \,$ - a gáz fajtérfogata
• $C_p \,$ - a gáz fajhője állandó nyomáson
• $\alpha \,$ - a gáz hőtágulási együtthatója

Az együtthatót általában °C/bar mértékegységben adják meg, SI egysége K/Pa. Az együttható értéke a gáz anyagminőségétől, és az expanzió előtti nyomásától és hőmérsékletétől függ. Az ideális gázok együtthatója mindenütt zéró.

Minden valóságos gáznak van egy inverziós pontja , melynél a $\mu_{JT}$ előjelt vált. Ezt a hőmérsékletet a Joule-Thomson inverziós hőmérsékletnek nevezik, mely a gáz expanzió előtti nyomásától függ. Az expanzió folyamán a nyomás állandóan csökken, így a $\partial P$ előjele mindig negatív. Ennek figyelembevételével az alábbi táblázat mutatja, hogy a fojtás hűti vagy melegíti-e a gázt:

Ha a gáz hőmérséklete	akkor $\mu_{JT}$	mivel $\partial P$	így $\partial T$	és a gáz
Az inverziós pont alatt van	pozitív	mindig negatív	negatív	lehűl
Az inverziós pont felett van	negatív	mindig negatív	pozitív	melegszik

A hidrogén és a hélium Joule–Thomson inverziós hőmérséklete egy bar nyomáson (a normál légköri nyomáson) igen alacsony (például a hélium esetében 51 K, azaz −222 °C). Így a hidrogén és a hélium felmelegszik, ha légköri nyomásról expandál szobahőmérsékleten. Másrészt a nitrogén és az oxigén inverziós hőmérséklete 621 K (348 °C) illetve 764 K (491 °C), ezek a fojtás folyamán lehűlnek.

Források

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. 1961, Műszaki Könyvkiadó, Budapest
• Dr. Harmatha András: Termodinamika műszakiaknak. 1982, Műszaki könyvkiadó, ISBN 963-10-4467-X