ژول و تامسون در سال ١٨٥٣ آزمایشی را بر اساس فرآیند انبساط یک گاز ضمن عبور از بین یک صفحه متخلخل انجام دادند. سیستمی که ژول و تامسون در نظر گرفتند، دارای دیواره های عایق کاری شده بود.

   ژول و تامسون مشاهده کردند که در دمای محیط در طول عمل انبساط، همه گازها به استثنای هیدروژن سرد می شوند. هیدروژن بر اثر انبساط گرم می شود. بررسی بیشتر نشان داد که تغییرات در طول عمل انبساط بستگی به دما و فشار اولیه دارد. بعدها که هلیم کشف شد، مشاهده شد که هلیم هم مانند هیدروژن در طول عمل انبساط منجر به اثر گرم شدن می شود.

   در فرآیند انبساط ژول -تامسون، آنتالپی های اولیه و نهایی با هم برابرند. ضریب ژول-تامسون به صورت مشتق دما نسبت به فشار طبق رابطة زیر تعریف می شود:

   با اینکه فرآیند برگشت ناپذیر است، اما از این واقعیت که تغییر در توابع حالت، مستقل از فرآیند است، می توان استفاده کرد. بنابراین می توان ضریب ژول -تامسون را به صورت ترمهایی از توابع حالت نوشت. از آنجایی که Δh=0  است، می توان نوشت:

که  می باشد.

 با استفاده از روابط ترمودینامیکی در نهایت رابطه زیر برای ضریب ژول-تامسون، به دست خواهد آمد:

    رابطه بالا نشان می دهد که مقادیر ضریب ژول -تامسون، می تواند به صورت تابعی از C_P   و داده هایPVT ، مستقیماً محاسبه شود. به زبان دیگر، ضریب ژول -تامسون میزان تغییرات بی نهایت کوچک در دو خصوصیت متمرکز دما و فشار می باشد. بنابراین یک خاصیت متمرکز است. این خاصیت مانند هر خاصیت متمرکز دیگری، تابعی از P ، Tو طبیعت گاز می باشد.

بررسی عملکرد شیر فشارشکن

   در عملیات شیر فشار شکن، سیال با دما و فشار مشخصی وارد شیر فشار شکن می شود و با عبور از شیر به فشار به مراتب پایین تری می رسد. دبی، دما و فشار ورودی به شیر فشارشکن و فشار خروجی از شیر فشار شکن، طبق داده های طراحی مربوط به واحد مقدار مشخصی می باشد. به منظور پیش بینی دمای خروجی شیر فشار شکن، از دو روش استفاده می شود. در روش اول با استفاده از این واقعیت که عملیات در شیر فشارشکن عملیاتی آنتالپی ثابت است، دمای خروجی شیر فشارشکن محاسبه می شود. در روش دوم ابتدا با استفاده از معادلات حالت، ضریب ژول-تامسون محاسبه و در ادامه با استفاده از ضریب ژول -تامسون دمای خروجی شیر فشارشکن محاسبه می شود. در این روش بر اساس انتخاب معادله حالت، معادلات تحلیلی مختلفی برای ضریب ژول -تامسون به دست می آیندکه معمولاً پیچیدگیهای زیادی دارند و حل آنها بدون استفاده از کامپیوتر مقدور نمی باشد. ضریب ژول -تامسون گازهای مختلف را از طریق تجربی نیز می توان به دست آورد. در گذشته دستگاه های مورد استفاده برای این هدف دارای ساختمان ساده ای بودند و به دست آوردن ضریب ژول-تامسون با این دستگاه ها با خطای زیادی همراه بود. در سالهای اخیر دستگاههایی پیشرفته تر و با دقت بالا برای این آزمایش ها و محاسبات به کار برده می شود.

    در روش اول با در نظر گرفتن علامت ضریب ژول-تامسون و حدس اولیه برای دمای خروجی شیر فشارشکن، آنتالپی در ورودی و خروجی شیر با استفاده از معادلات حالت محاسبه می شود. چنانچه آنتالپی های ورودی و خروجی برابر باشند، دمای خروجی شیر فشار شکن برابر با حدس اولیه می باشد. در غیر این صورت بایستی محاسبات با حدس دیگری برای دما تکرار شود، این کار آنقدر ادامه می یابد تا آنتالپی در خروجی شیر فشار شکن با آنتالپی محاسبه شده در ورودی برابر شود. زمانی که آنتالپی در خروجی شیر فشارشکن با آنتالپی در ورودی برابر شد، در این حالت دمای خروجی شیر فشار شکن مشخص می شود.