تأثير جول-طومسون
تأثير جول-طومسون في الفيزياء و الكيمياء (Joule-Thomson effect) هو تأثير تتسم به الغازات حيث تتغير درجة حرارة الغاز عند تحرره من ضغط عال مطبق عليه . وتؤدي تلك الخلخلة للغاز إما إلى ارتفاع حرارته أو هبوطها بحسب نوع الغاز ودرجة حرارته.
تستغل تلك الظاهرة في التبريد و تسييل الغازات.
تفسير تأثير جول-طومسون
يرجع هذا التأثير إلى التآثر بين جزيئات الغاز . فإذا كانت قوى جاذبة بين جزيئات الغاز، فلا بد من أن يعمل تباعد الجزيئات عن بعضها عند الخلخلة على مقاومة قوي التجاذب هذه، وتأتي الطاقة اللازمة لذلك من طاقة حركة الجزيئات وينتج عن ذلك انخفاض في درجة حرارة الغاز .
أما إذا كان هناك تنافر بين جزيئات الغاز، فيحتوي الغاز على حرارة كامنة عالية عند ضغطه . وعندما يُـرفع الضغط عنه عند الخلخلة ويتمدد تنطلق منه تلك الحرارة الكامنة . وتزيد طاقة حركة جزيئاته وتؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارته .
وتعتمد خاصية التجاذب بين جزيئات الغاز أو تنافرها من بعضها البعض على درجة حرارة الغاز . والطبيعي أنه توجد لكل غاز درجتي حرارة، يغير عندهما خواصه تلك . وتسمى تلك درجات الحرارة درجة حرارة التعاكس العليا وبالتالي درجة حرارة التعاعكس السفلى .
وبالنسبة للهواء فتبلغ درجة حرارة التعاكس العليا له +450 درجة مئوية . يؤدي تأثير جول-طومسون فوق تلك درجة الحرارة إلى تسخين الهواء . وإذا أردنا تبريد غاز الهيدروجين أو غاز الهيليوم ، فلا بد من تبريد تلك الغازات أولا تحت درجة حرارة التعاكس الخاصة لكل منهما، حيث تبلغ للهيدروجين -80 درجة مئوية وللهيليوم -239 درجة مئوية.
إسهامات جيمس جول وكلفن في مجال تمدد الغازات وتبريدها
قم بهذه التجربة الصغيرة. انفخ على ظهر يدك - سوف تشعر أن الهواء بارد. انفخ وفمك مفتوحا - ستشعر أن الهواء دافئ. قم بنفخ إطار عجلة باستخدام مضخة؛ ستصبح أسطوانة المضخة ساخنة. قم بإطلاق الهواء من الإطار (أو البالونة) - سوف يكون باردا. تعتبر هذه الملاحظات بسيطة ويومية، ولكن لم تتم ملاحظتها سوى في عام ١٨٥٢ على يد العالمين الإنجليزيين كلفن وجيمس جول. لذلك، أطلق على عملية اكتساب الغاز للبرودة عند تمدده (أي يزيد في الحجم) واكتسابه للحرارة عند ضغطه (ضغطه في مكان أصغر) اسم ظاهرة "جول وطومسون" (حيث كان كلفن يدعى باسم وليم طومسون).
تفسر هذه الظاهرة كثيراً من الأمور مثل السبب وراء برودة الجو عند قمة الجبل عنه في أسفله، على الرغم من أن القمة أقرب إلى الشمس. إن الهواء الساخن الصاعد من الأرض يتمدد (لانخفاض الضغط)؛ ولذلك فإنه يبرد. لقد أصبحت هذه الظاهرة طريقة مهمة لتحويل الغازات إلى سوائل فيتم ضغط الغاز أولاً (ثم يسمح له بأن يبرد ثانية إلى حين أن يتم تسخينه مرة أخرى). بعد ذلك، يتمدد في خرطوم ومن الممكن أن يبرد جدا لدرجة أن تقل درجة غليانه، ويتكثف في صورة سائل. بحلول عام ١٩٠٠ تم تحويل الهواء إلى سائل، مثلما تم تحويل الأكسجين والنيتروجين كل على حدة.
يجب ألا تحدث ظاهرة "جول وطومسون" أبداً، إلا إذا تحركت ذرات الغاز مثل كرات لعبة تنس الطاولة الصغيرة جذا كما كان يعتقد العلماء حتى ذلك الوقت. ستثب هذه على بعضها البعض عندما تتصادم وإلا فلن تتفاعل أبدا. ولتفسير ظاهرة "جول وطومسون" يجب إضافة شيء ما إلى "النموذج": يجب أن تكون ذرات أي غاز منجذبة إلى حد ما إلى بعضها البعض، على الرغم من أن هذا الانجذاب لا يكفي لجعلها تلتصق ببعضها البعض (كما يحدث في السوائل). يجب عليك أن تستهلك الطاقة لرفع حجر صغير من على الأرض عكس الجاذبية الأرضية. وبالمثل، عندما يتمدد الغاز وتتحرك الذرات متباعدة عن بعضها، تكون الطاقة ضرورية لمقاومة الجاذبية المتبادلة. ويجب أن تأتي هذه الالذرات طاقة الخاصة بحركة الذرات، لذلك فإن حركتها تقل ويزداد الغاز برودة.
يتناول تفسير ظاهرة "جول وطومسون" أيضا تأثير ما يحدث داخل زجاجات المياه الغازية؛ حيث إنه عند رج إحدى زجاجات امياه الغازية بقوة، ستتم رؤية مساحة من الضباب أو الفقاقيع داخل عنق الزجاجة. ويتسبب انطلاق الضغط المفاجئ في تبريد الهواء بدرجة كافية لتحويل بخار اماء الموجود فيه إلى قطرات دقيقة سائلة مما يؤدي إلى وجود سحابة صغيرة.
