[화공기사] 줄톰슨팽창,교축과정,Throttling process,조름공정,줄톰슨효과,줄톰슨계수

화공기사 화공열역학에서 간혹 한 문제씩 나오는 줄톰슨팽창에 대해 알아보자.

줄톰슨팽창에 대해 공부하던 중 이상한 점을 발견했다.

화공기사나 관련 서적을 보면 줄톰슨팽창(Joule-Thomson expansion)이라는 말을 주로 쓴다.

그런데 원서나 외국 사이트들을 검색하다 보니 "Joule-Thomson expansion" 이라는 표현을 잘 쓰지 않더라..

거의 "Throttling process" (우리말로 교축과정 or 쓰로틀링 or 조름 공정) 라는 표현을 쓴다.

아무튼 그래서 이 글은 "Throttling Process" 에 대해 이야기해 보고자 한다.

(Throttling Process = 줄톰슨팽창 이겠거니 하고 이해하길 바란다.)

배관이 있고 중간에 밸브가 살짝 열려있다고 생각해보자.

유체가 이 밸브를 지나가면서 겪는 과정 쯤으로 생각하면 되겠다.

Throttling Process 는 등엔탈피 과정이이라고 볼 수 있다.

이 과정에 있어서 work transfer 와 heat transfer 는 무시할 수 있고,

또한 기본적으로 비가역적인 과정이며, 따라서 엔트로피는 증가한다.

Throttling 의 특성을 정리해보면,

1. W=0

2. Q=0

3. 비가역적 과정

4. 등엔탈피 과정

* 줄톰슨 효과(Joule-Thomson effect)

 - 실제 유체가 throttling process 를 거칠 때 온도가 변하는 현상

줄톰슨 효과는 실제 유체에서 나타나는 현상으로 이상기체에서는 줄톰슨 효과가 없다.

즉, 줄톰슨 효과는 분자간의 상호작용에 의해 생긴다는 얘기다.

줄톰슨 효과는 줄톰슨 계수(Joule-Thomson coefficient) 에 따라 나타난다.

줄톰슨 계수의 정의는,

(외워두도록 하자)

이상기체에서 줄톰슨계수는 0이고, 실제기체에서는 기체의 종류, 팽창하기 전의 온도와 압력에 따라 다르다.

모든 실제 기체는 inversion point (줄톰슨 전환점)를 갖는다.

줄톰슨 계수의 부호가 바뀌는 점(줄톰슨 계수=0)인 점을 말한다.

이 점에서의 온도를 inversion temperature(역전 온도)라 한다.

줄톰슨 계수가 (+)라면 줄톰슨 팽창에 의해 온도가 어떻게 변할까?

정의를 따라 생각해보자.

일단 분모의 압력변화는 항상 음수이다.(줄톰슨 팽창을 거치면서 압력이 낮아지니까)

계수가 양수려면 분자인 온도변화 또한 음수여야 한다.

즉, 줄톰슨 계수가 양수라면 줄톰슨 팽창을 거치면서 온도가 내려간다.

상온에서, 수소, 헬륨, 네온 을 제외하고 모든 기체는 줄톰슨 팽창을 거치면서 온도가 내려간다.