줄-톰슨 효과(Joule-Thomson Effect)

열역학에서, 줄-톰슨 효과(줄-캘빈(Joule-Kelvin) 효과라고도 한다)란 유체가 밸브나 다공성소재(필터) 등 작은 구멍을 통과할 때 외부(외부 계)와의 열의 이동이 없을 경우(혹은 무시할 경우, adiabatic condition, 단열계)의 온도가 변화하는 현상을 말한다.

이 효과는 제임스 프레스콧 줄과 윌리엄 톰슨, 1852년에 그것을 발견 한 켈빈경의 이름을 따서 명명되었다.

팽창 과정이 가역적인경우, 가스가 항상 열역학적 평형에 있다고 할수 있으며, 이를 isentropic 확장이라고 하는데, 이 과정은 온도의 변화를 수반한다. 이것은 가스가 팽창할 때 외부에서 열을 흡수하지 않아 내부에너지가 일정하면 가스가 팽창함으로서 발생할 수 있는 에너지 변화를 온도번화로 벌충하기 때문이다.

줄-톰슨 효과는 줄-톰슨 계수(Joule-Thomson Coefficient)에 의해 정량화될 수 있다. 줄 톰슨 계수(μJT)는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

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여기서 : T 온도, P 압력, V 부피, Cp : 정압비열, α : 열팽장계수이다.

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이 때 압력변화는 항상 음수이다. 이에 따라 줄-톰슨 계수는 온도상승에 따라 감소하게 된다. 아래 그림은 대기압(약 1 atm)에서 온도변화에 따른 다양한 기체상 물질의 줄-톰슨 계수의 변화를 나타낸 것이다. 일정온도 이하에서 줄-톰슨 계수는 양수로서 기체가 팽창할 때 온도가 감소하게 된다. 그러나 줄-톰슨 계수가 0 이하로 감소하면 기체가 팽창할 때 온도가 상승하게 된다. 이에 따라 질소, 아르곤, 이산화탄소 등 대부분의 가스는 상온에서 팽창할 때 온도가 감소하게 된다. 그러나, 수소와 헬륨은 상온에서 팽창할 때 온도가 상승하게 된다.

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그림. 대기압에서 온도에 따른 다양한 기체의 joule-Thomson coefficient (출처 : www.wikipedia.org)

 

 

 

응용

줄-톰슨 효과는 실제적으로 단열시스템에서 많이 사용하며, 대표적인 예는 냉장, 냉동 공정이라 할 수 있다. 특히 상업용, 가정용 냉장고의 경우는 냉매가 팽장벨브를 통과할 때 줄-톰슨 효과에 따라 온도가 급격하게 감소하는 현상을 이용한다. 미세한 구멍을 통과한 가스는 급격하게 온도가 감소하므로 열화상 카메라 등을 이용하여 공정, 반응기 등에서의 누출, 파손부위를 비교적 손쉽게 탐색할 수 있다.

특히 극 저온으로 냉각시켜야 하는 경우 줄-톰슨 효과를 많이 이용한다. 산소, 질소, 아르곤 등을 액화시킬 때 줄 톰슨 효과를 이용한다.