Efecto Joule

CENTRO DE CIENCIAS BÁSICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA
ACADEMIA DE BÁSICAS Y OPERACIONES UNITARIAS
TERMODINÁMICA

Efecto Joule-Thomson

MAESTRA: MA. DE LOURDES MARTELL VELASCO
ALUMNO: OMAR ALEJANDRO GALVÁN PADILLA
INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
2º SEMESTRE
ENERO-JUNIO 2011
Aguascalientes, Ags., 1 de marzo de 2011
Efecto Joule-Thomson
James Prescott Joule junto con WilliamThomson descubrieron que la temperatura de un gas desciende cuando se expande a través de una pared porosa hacia una región de presión más baja. Ambos investigadores dejaron expandir un gas por una placa porosa desde una presión constante a otra, controlando la diferencia de temperatura producida por efecto de la expansión. El sistema estaba aislado, de forma que el proceso era adiabático, yobservaron que la temperatura era inferior en la zona de baja presión y que la diferencia de temperatura era proporcional a la diferencia de presión aplicada. Este fenómeno se le conoce como efecto Joule-Thomson y sirve de base a la refrigeración y a los sistemas de aire acondicionado.
El experimento consiste en dejar fluir un gas desde una presión elevada a otra presión inferior, a través de un tuboque contiene un “estrangulamiento” u obstáculo que puede ser un tapón poroso, una válvula apenas abierta, un orificio muy pequeño, etc. Debido al estrangulamiento, la expansión es muy lenta de tal forma que las presiones a cada lado del obstáculo se mantienen prácticamente constantes.
Se impide el intercambio de calor entre el gas y el medio exterior mediante un aislamiento térmico, de modo talque el proceso se realice en condiciones adiabáticas.

Supongamos, como observamos en la figura, que el gas fluye por un tubo horizontal, aislado adiabáticamente, que contiene un obstáculo. A un lado del obstáculo se mantiene la presión mayor P1, constante mediante una bomba, y al otro lado una presión menor P2. Esta presión P2 en muchos casos puede ser la presión del medio exterior, por ejemplola presión atmosférica.
Las temperaturas a las presiones P1 y P2 son respectivamente T1 y T2.
Aplicando la ecuación del Primer Principio para sistemas abiertos:

Debido a que el gas fluye lentamente ω1 y ω2 son prácticamente nulos, y ω12/2 y ω22/2 ≅ 0. Como el tubo es horizontal h1 ≅ h2. Además, por estar el sistema aislado adiabáticamente,
Q = 0. Por último, no hay trabajo de circulación,Wc= 2
En consecuencia resulta que U1 + P1 . v1 = U2 + P2 . v2 y por definición de entalpía: H1 = H2.
Este resultado nos indica que el valor de la entalpía es el mismo antes y después del proceso de estrangulamiento. Sin embargo como el proceso es irreversible, y por consiguiente no se conocen los estados intermedios, no se puede decir que la transformación se realice a entalpía constante. Esentonces conveniente aclarar que el proceso de Joule-Thomson no es una transformación isoentálpica, entendiéndose por transformación isoentálpica el lugar geométrico de todos los puntos que representan “estados de equilibrio” de la misma entalpía. No obstante, como la entalpía es una función de estado, en un proceso de estrangulamiento entre dos estados, se cumple que ΔH = 0 y si la transformación eselemental, dH = 0.
Coeficiente de Joule-Thomson.
Si hacemos H=f(P,T), como la entalpía es una función de estado, en un proceso elemental se cumple:

En un proceso de Joule-Thomson: dH=0 por lo tanto:

Haciendo pasaje de términos e indicando con el subíndice H que en el proceso la entalpía inicial y final es la misma:

La cantidad , que representa la variación de la temperatura con lapresión en un proceso de Loule-Thomson, se denomina “coeficiente de Joule-Thomson” y se lo simboliza con la letra μ. Como en la ecuación anterior es igual a CP, nos queda finalmente:
(36)
Como H=U + P.V la expresión puede también tomar la forma:
(37)
Que nos da una ecuación completamente general, aplicable a cualquier gas.
En el caso particular de un gas ideal, se cumple que:

en...