줄-톰슨효과

요약 압축한 기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상이다. 분자간 상호작용에 의해 온도가 변하는 것으로, 공기를 액화시킬 때나 냉매의 냉각에 응용되는 현상이다.

J.P.줄과 W.톰슨(W.켈빈)이 1854년 을 통하여 발견한 것이다. 한 를 단열된 좁은 통로를 통해서 빠져나가게 하면 빠져나가기 전후의 기체의 엔탈피는 같게 된다. 이 과정에서 변화는 생기지 않지만, 실제 기체의 경우는 분자간 이 있기 때문에 온도변화가 생긴다. 이 현상을 줄-톰슨효과라고 한다. 이때 기체의 온도가 높을 때와 낮을 때의 변화에 따른 온도변화의 방향이 달라진다.

일반적으로 에서 는 온도가 올라가지만 다른 기체는 된다. 그 정도는 분출 전후의 압력차를 1기압으로 했을 때, 는 약 0.32℃ 는 0.26℃인데, 압력차이에 비례하여 그 정도가 커진다. 이들 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도가 극적으로 내려가서 할 수 있다. 는 이 원리를 기초로 하여 대략 150기압으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만든다. 온도의 증가·감소는 일반적으로 그 기체의 온도에 따라 결정되며, 어느 온도 이하에서는 냉각되고, 그 이상에서는 올라간다. 이 경계에 있는 점을 역점온도(逆點溫度)라 한다. 예를 들면 수소도 －80℃ 이하의 온도에서는 분출에 의하여 냉각된다.  

이 효과는 등 기체 냉각이나 액화, 에어컨이나 등 의 냉각에 널리 사용되고 있다. 최근에는 소형 줄-톰슨 들이 개발되어 고압 의 기체를 직접 사용하고, 유리판에 구멍을 내거나 가는 관을 통해 공기 중으로 기체(주로 )를 배출시키는 방법으로 80K 정도의 저온을 쉽게 얻고 있다.