Efecto Joule-Thomson
Física Térmica y Mecánica de Fluidos
Resumen
En la siguiente practica se tratara de demostrar una propiedad muy importante de muchos gases reales y vapores que consiste en enfriase cuando sufren una descompresión. Este procesos se lo conoce como efecto de Joule-Thomson y se lo explota para construir maquinas frigorí cas y refrigeradores domésticos y comerciales.
1 Efecto Joule-Thomson
2
1.
Introducción Efecto Joule-Thomson
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 gasse expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión (inicial y nal) y temperatura inicial. Para una presión constante ( jada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson, 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
( T)
con respecto al incremento de presión
( p)en
un proceso de Joule-Thomson es el coe ciente de Joule-Thomson.
µ=
DT Dp
1 = ? Cp ?H ?P T
Esta expresión se puede encontrar también escritade la siguiente forma:
µJT =
si
?T ?p
H
µJT ? 0,
el gas puede usarse como refrigerante. Y se tiene que:
1 µJT = ? Cp
el valor de
?E ? T
+
?(P V ) ?P
µJT
depende del gas especi co, 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 latemperatura de inversión Joule-Thomson es aquella donde el signo del coe ciente cambia. Hay que tener en cuenta que hay una magnitud termodinámica llamada ENTALPIA que es la misma en los estados inicial y nal para una cierta masa de gas que ha pasado por este procesos.
Entalpia
Se lo de ne como la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno, por lo que es una variable deestado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y nal) que se de ne como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión. La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de laentalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso. La entalpía se de ne mediante la siguiente fórmula:
H = U + pV
Donde:
H U p V
es la entalpía
[J]. [J]. [P a]. m3
.
es la energía interna
es la presión del sistema
es el volumen del sistema
Relación de un gas de Van der Waal con elefecto Joule-Thomson
Para poder explicar partimos de la expresión del efecto Joule-Thomson:
Efecto Joule-Thomson
3
µJT =
?T ?p
H
1 = ? Cp
?H ?P T
Para un gas de Van der Waal, o sea un gas que obedece la ecuación de estado:
P+
donde
a V2
(V ? b) = nRT
a
y
b
son dos parámetros que dependen de gas que se usa. Esta ecuación también puede
escribirse enla forma de la ecuación de estado de Berthelot:
P V = nRT 1 +
donde:
9 P TC 128 PC T
1 ? 6 Tc 2
T2
a=
16 2 3 PC VC TC
b = 1 VC 4
R=
32 VC PC 3 TC
El coe ciente de Joule-Thomson se relaciona con los coe cientes
a
y
b
por la relación:
µJT =
1 Cp
2a RT
?b?
3ab P R2 T 2
?
1 Cp
2a RT
?b
De este modo, es posible usar la ecuación…