Эффект Джоуля-Томсона. 
Макросистемы

Зависимость внутренней энергии идеального газа от температуры и объёма даёт возможность получения низких температур за счёт расширения газа.

Особый интерес представляет процесс, предложенный Джоулем и осуществлённый позднее Томсоном (Кельвином). В трубе с теплоизолированными стенками, разделённой на две части пористой перегородкой А, могут перемещаться два поршня. В начале эксперимента 1 моль некоторого реального газа занимает объём V₁ между левым поршнем и перегородкой при температуре Т₁ и давлении р₁. Правый поршень занимает положение вплотную к перегородке и находится под давлением р_{2 (}рис. 1.7). В процессе эксперимента левый поршень под давлением р₁ медленно продавливает газ через перегородку. При этом правый поршень перемещается под давлением р₂. В результате этих действий весь газ оказывается справа от перегородки, занимая объём V₂ при температуре Т₂ и давлении р₂ (рис. 1.8). Определим соотношение между температурами Т₁ и Т₂.

В соответствии с первым началом термодинамики при адиабатном процессе продавливания газа, или, как говорят, в процессе дросселирования газа, изменение внутренней энергии равно.

. (1.74).

Пусть объём V₂ настолько велик, что газ после дросселирования можно считать идеальным. Тогда:

.

учитывая, что, получим.

. (1.75).

Теперь рассмотрим несколько случаев:

• 1. Пусть в объёме V₁ тоже находится идеальный газ, т. е. a = b = 0. Это значит, что Т₁ = Т₂ и эффект Джоуля-Томпсона не наблюдается.
• 2. Пусть между молекулами в реальном газе преобладают силы отталкивания, т. е. силы притяжения стремятся к нулю (a = 0). В этом случае Т₂ > Т₁, наблюдается эффект Джоуля-Томпсона — изменение температуры реального газа при очень малом адиабатическом изменении объёма и давления. В данном случае газ нагревается. Это можно объяснить тем, что при наличии одних только сил отталкивания между молекулами газ представляет собой как бы сжатую пружину. При расширении газа потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию хаотического движения молекул.
• 3. Пусть между молекулами в реальном газе преобладают силы притяжения, т. е. силы отталкивания стремятся к нулю (b = 0). Тогда Т₂ < Т₁, также наблюдается эффект Джоуля-Томпсона. В данном случае газ охлаждается. Объяснение такого эффекта аналогично: охлаждение является следствием того, что для расширения газу необходимо совершить работу против сил притяжения между молекулами. При этом их кинетическая энергия должна уменьшиться.

Третий случай выполняется для многих газов и применяется в технике (для получения низких температур).