Effet Joule-Thomson

En physique, l'effet Joule-Thomson, ou effet Joule-Kelvin, est la variation de température d'un gaz quand celui-ci subit une détente isenthalpique^[1].

L'effet porte le nom des physiciens britanniques James Prescott Joule et William Thomson (Lord Kelvin) qui ont réalisé pour la première fois en 1852 la détente de Joule-Thomson^[2].

Coefficient de Joule-Thomson

Courbe d'inversion de Joule-Thomson (en rouge) de l'azote dans un diagramme température-pression. La courbe bleue est la courbe d'équilibre liquide-vapeur. La température maximale d'inversion de Joule-Thomson de l'azote se situe vers 620 K. Lors d'une détente, la température du gaz diminue si $\mu _{\text{JT}}>0$ et augmente si $\mu _{\text{JT}}<0$ .

Lors de la détente d'un gaz, la pression $P$ diminue et la température $T$ peut augmenter ou diminuer. Le coefficient de Joule-Thomson $\mu _{\rm {JT}}$ est défini, à enthalpie $H$ constante, par^[3] :

Coefficient de Joule-Thomson :

\mu _{\rm {JT}}=\left({\partial T \over \partial P}\right)_{H}={\left(\alpha T-1\right)V \over C_{P}}

avec :

$C_{P}$ la capacité thermique isobare ;
$H$ l'enthalpie ;
$P$ la pression ;
$T$ la température ;
$V$ le volume ;
$\alpha ={1 \over V}\left({\partial V \over \partial T}\right)_{P}$ le coefficient de dilatation isobare.

Dans un processus isenthalpique où la pression diminue (dans une détente de Joule-Thomson), lorsque $\mu _{\rm {JT}}>0$ la température diminue ; lorsque $\mu _{\rm {JT}}<0$ elle augmente. Pour tout gaz, dans un diagramme pression-température représentant des courbes isenthalpiques, il existe une plage de températures dans laquelle, à température donnée, on a $\mu _{\rm {JT}}>0$ aux basses pressions et $\mu _{\rm {JT}}<0$ aux hautes pressions. Le lieu des points auxquels le coefficient $\mu _{\rm {JT}}=0$ est appelé courbe d'inversion de Joule-Thomson. La température maximale de la courbe d'inversion, à pression nulle, est appelée température maximale d'inversion de Joule-Thomson : pour des températures plus élevées, on a $\mu _{\rm {JT}}<0$ à toute pression.

Effet Joule-Thomson.
Si $\mu _{\text{JT}}$ est	puisque $\partial P$ est	alors $\partial T$ doit être	donc le gaz
positif	toujours négatif	négatif	se refroidit
négatif	toujours négatif	positif	se réchauffe

Applications

L'effet Joule-Thomson est utilisé dans des procédés de liquéfaction des gaz, notamment le procédé Linde, par exemple pour fabriquer de l'oxygène ou de l'azote liquide. Ces procédés exploitent le domaine de pression-température des gaz dans lequel la température diminue lors de la détente, soit $\mu _{\rm {JT}}>0$ ^[2].

Notes et références

Notes

↑ Taillet et al. 2018, p. 404 Joule-Thomson (effet).
1 2 Taillet et al. 2018, p. 202-203 détente de Joule-Thomson.
↑ (en) Union internationale de chimie pure et appliquée, Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry [Green Book] : Abridged version, Cambridge, 2023, 4^e éd. (1^re éd. 1988), 110 p. (ISBN 978-1-83916-150-6, DOI 10.1039/9781839163180, présentation en ligne, lire en ligne [PDF]), p. 49.

Bibliographie

Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Louvain-la-Neuve/impr. aux Pays-Bas, De Boeck supérieur, 2018, 976 p. (ISBN 978-2-8073-0744-5, lire en ligne).

Articles connexes

Détente de Joule-Thomson
Procédé Linde

Portail de la physique

[Taillet-404-1] Taillet et al. 2018, p. 404 Joule-Thomson (effet).

[Taillet-202-203-2] 1 2 Taillet et al. 2018, p. 202-203 détente de Joule-Thomson.

[GreenBook-3] (en) Union internationale de chimie pure et appliquée, Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry [Green Book] : Abridged version, Cambridge, 2023, 4^e éd. (1^re éd. 1988), 110 p. (ISBN 978-1-83916-150-6, DOI 10.1039/9781839163180, présentation en ligne, lire en ligne [PDF]), p. 49.

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