Efecto Joule-Thomson

En Física, el efecto de Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin, es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente manteniendo la entalpía constante.

Fue descrito por James Prescott Joule y William Thomson, el primer Barón Kelvin, quienes establecieron el efecto en 1852 modificando un experimento previo de Joule en el que un gas se expandía manteniendo constante su energía interna.

Descripción

La relación entre temperatura, presión y volumen de un gas se puede describir de una forma sencilla gracias a las leyes de los gases. Cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, las leyes de los gases no pueden determinar por si solas qué ocurre con la temperatura y presión del gas. En general, cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante (fijada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura, y por debajo, la expansión del gas causa un enfriamiento. En la mayoría de los gases, a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta, mucho mayor que la temperatura ambiental, y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. El incremento de temperatura (ΔT) con respecto al incremento de presión (Δp) en un proceso de Joule-Thomson es el coeficiente de Joule-Thomson.

esta expresión se puede encontrar también escrita de la siguiente forma:

el valor de depende del gas especifico, tanto como la temperatura y la presión del gas antes de la expansión o compresión. Para gases reales esto será igual a cero en un mismo punto llamado punto de inversión y la temperatura de inversión Joule-Thomson es aquella donde el signo del coeficiente cambia.

Efecto Joule-Thomson, modificación observable de la temperatura de un gas que tiene lugar al disminuir la presión sin aporte de calor. Cuando un gas fluye desde un recipiente con presión inicial constante hasta otro con menor presión a través de una pared porosa que modera su movimiento, la energía de interacción de las partículas del gas se modifica, y con ello el contenido de energía del gas. A temperatura ambiente, el trabajo realizado en contra de las interacciones durante la expansión lleva en casi todos los gases a una disminución de la temperatura. Esta reducción tiene numerosas aplicaciones técnicas. Por ejemplo, mediante el procedimiento Linde, el

efecto Joule-Thomson se puede utilizar para licuar gases y para obtener temperaturas bajas. El efecto Joule-Thomson también se conoce como efecto Joule-Kelvin o efecto de estrangulación.

   

Tecnologías de Ajuste de Punto de Rocío de Gas   Se presenta un gráfico de selecciónrápida de la óptimatecnología para ajuste de punto de Rocío de gas en función de los principales parámetros de proceso.

Efecto Joule-Thomson (estrangulamiento)

El diseño para este experimento se muestra en la figura: consiste en hacer pasar un

gas, inicialmente a temperatura y presión , a través de una membrana porosa

que le permite descender su presión a un valor , con el consiguiente cambio de temperatura. El proceso se lleva a cabo en recipientes aislados térmicamente

del exterior y es relativamente lento, debido a que la membrana dificulta el paso del gas, por lo que suele aproximarse esta situación mediante una sucesión de procesos cuasi estáticos.

La función de ``estrangulamiento'' de la membrana porosa se conseguía en la experiencia original mediante láminas de algodón, aunque en la actualidad este dispositivo suele fabricarse de material cerámico.

Como el proceso se lleva adelante aislado térmicamente, los cambios en la energía interna se deberán solamente al trabajo realizado sobre el sistema:

 

 

es decir que el proceso se realiza a entalpía constante. Nuevamente, ideamos una sucesión de procesos cuasiestáticos (en este caso, reversibles) que tenga los mismos estados iniciales y finales que el proceso real. De esta manera podemos escribir

donde se ha omitido el término pues el sistema es cerrado. Como deseamos relacionar los saltos térmicos con las variaciones de presión, tomamos y como variables independientes, de modo que

La última derivada puede reemplazarse por , ya que, análogamente a lo que hicimos en la sección anterior, si escribimos un diferencial de la energía libre de Gibbs para un sistema simple general,

la condición de que sea un diferencial exacto exige

que es otra de las llamadas relaciones de Maxwell. Sustituyendo esta identidad en la expresión anterior para , tenemos

de donde

El coeficiente que acompaña a se denomina coeficiente diferencial de Joule-Thomson. Para el caso de un gas ideal,

lo que significa que los gases ideales tampoco se enfrían mediante este

procedimiento. Además, como . Estos resultados podían preverse reescribiendo el coeficiente diferencial de Joule-Thomson como

recordando que para un gas ideal

es evidente que se anula. Considerando un gas real como fluido de Van der Waals, se puede ver que para bajas temperaturas el coeficiente diferencial de Joule-Thomson es positivo hasta que se

anula al llegar a la denominada temperatura de inversión . Por encima de este valor el coeficiente cambia de signo, dejándose esta verificación como ejercicio al

esmerado lector. Este cambio de signo implica que cuando , a bajas temperaturas un gas real se enfría mediante este dispositivo. Obviaremos aquí la obtención de una estimación para el coeficiente de Joule-Thomson en algún caso particular, aunque mencionaremos que en diversos gases se verifica que alrededor de 300 K, por debajo de la temperatura de inversión, el valor de este coeficiente es de

aproximadamente 10  K/Pa para una presión cercana a la atmosférica (10  Pa). Si bien este valor parece pequeño, es fácil lograr diferencias de presión importantes, con lo cual, el enfriamiento mediante este método resulta muy eficiente, y es el utilizado para lograr la licuefacción de gases a nivel industrial.

Un esquema simplificado del dispositivo utilizado para aprovechar este método se muestra en la figura. El gas es preenfriado en un ambiente refrigerado para llevarlo a temperaturas inferiores a la de inversión. De allí pasa a una ampolla con una

temperatura y presión . El gas sale a continuación a un ambiente a presión atravesando una válvula de estrangulamiento, de modo que su temperatura desciende, tal como se describió en los párrafos anteriores. A medida que se avanza con el ciclo las temperaturas descienden hasta que finalmente se consigue líquido que se extrae del depósito mediante un robinete.

Bien al analizar el efecto Joule-Thomson notamos que es constante, prácticamente no utilizamos el concepto de entalpía como potencial termodinámico (quizás

podríamos haber prescindido de mencionarla). En realidad, debido a que

, es difícil imaginar procesos a constante, aunque sí a y

constantes. En esos casos se piensa a como ``potencial de calor'', ya que si

y se mantienen constantes, los cambios diferenciales coinciden con el

ingreso de calor al sistema considerado. Algo similar hemos visto en el caso de reacciones químicas, en las que se libera energía al producirse un enlace, interpretándose ese ``calor'' como energía absorbida por el sistema durante las mencionadas reacciones. Cuando éstas ocurren en sistemas cerrados a presión constante, esa energía se denomina también entalpía de

formación. Por ejemplo, por cada mol que produce la reacción C + O  CO se

liberan 394 J a 25 C y 1 atm; en ese caso, la entalpía de formación es 394 J/mol.

CONCLUSION.

Efecto Joule-Thomson, modificación observable de la temperatura de un gas que tiene lugar al disminuir la presión sin aporte de calor. Cuando un gas fluye desde un recipiente con presión inicial constante hasta otro con menor presión a través de una pared porosa que modera su movimiento, la energía de interacción de las partículas del gas se modifica, y con ello el contenido de energía del gas.