Termodinamica

XIV.- CRIOGENIA
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XIV.1.- EL FENÓMENO DE LA ESTRANGULACIÓN Se sabe que si una corriente fluida que pasa por un tubo, se encuentra con un obstáculo que motiva un estrechamiento brusco de la sección transversal del mismo, como un tabique poroso, una válvula parcialmente cerrada, o un pequeño orificio, y después vuelve a aumentar dicha sección, la presión del fluido essiempre menor después del obstáculo p2 que delante de él p1, lo cual es debido a la disipación de energía de la corriente, que se emplea en vencer la resistencia local impuesta por el obstáculo. El efecto de caída de presión de la corriente fluida a través del obstáculo, se denomina estrangulamiento. Joule y Thomson, lord Kelvin, realizaron las experiencias básicas de estrangulamiento en elperíodo comprendido entre 1852 a 1862, explicando el fenómeno y abriendo así un nuevo método para determinar ciertas propiedades de las sustancias gaseosas. En la Fig XIV.1 se muestra el dispositivo utilizado en la Fig XIV.1 experiencia de Joule-Kelvin; una corriente uniforme de gas fluye a través de un tabique poroso, en un tubo horizontal este sistema abierto, está térmicamente aislado Q = 0, nointercambia trabajo con los alrededores T = 0, ni hay variación de su energía mecánica,
2 es decir, tanto la variación de su energía cinética Δ c , como de su energía potencial Δz, son cero. 2g

En estas condiciones de estrangulación adiabática se observa que la temperatura T2, aguas abajo del tabique poroso, es distinta de la T1 inicial. Teniendo en cuenta la ecuación energética del fluido enrégimen estacionario, de la forma:
2 Q = T + Δi + Δ c + Δ z 2g

y sustituyendo las condiciones anteriormente citadas se encuentra: Δ i = 0 ⇒ i2 = i1 , es decir, la entalpía del fluido del estado final i2 es igual a la entalpía del fluido en el estado inicial i1. Esto no quiere decir que la entalpía permanezca constante durante el proceso, es decir, en los estados intermedios entre 1 y 2, ya que elfluido al pasar por el estrangulamiento puede experimentar variaciones en su energía cinética, y por lo tanto, modificar la entalpía; se trata, pues, de un proceso esencialmente irreversible.
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El fenómeno de vencer la resistencia local impuesta por el obstáculo, es similar a realizar un trabajo contra las fuerzas de rozamiento. Si la energía de la corriente se utiliza enrealizar un trabajo, parece que su entalpía debiera disminuir; pero no es así, y la entalpía de este flujo adiabático permanece constante, porque el trabajo que realiza la corriente a expensas de su energía interna, contra las fuerzas de rozamiento qroz que es absorbido por el fluido. En efecto: dq = di + dTcir = di - v dp, y ser, q = qext + qroz = qroz y como para el flujo adiabático, qext= 0, eltrabajo de rozamiento es:
2 dq = du + p dv = di + d T + dc + dz + dT roz = di + dTroz= 2g dqroz = di - v dp = = di + dTroz = du + p dv + v dp + dTroz= dq + v dp + d Troz ⇒ v dp + dTroz = 0

y al ser: di = 0 ⇒ dqroz = dTroz De la ecuación (Δi = 0) se obtiene: i2 = i1 ; u 2 + p2 v2 = u1 + p1 v1 observándose que, u 2 ≠ u1 , Δu ≠ 0 , es decir, la energía interna final es distinta de la inicial. Para ungas ideal, la ecuación Δi = 0 se expresa como: c p2 T2 = c p1 T1 , siendo cp el calor específico a presión constante. Para un gas ideal se tiene que cp2 = cp1 por lo que T2 = T1, no existiendo variación de temperatura a ambos lados del tabique poroso, es decir, el gas perfecto se estrangula sin variación de la temperatura, que es uno de los indicios característicos del gas perfecto. Por lo tanto,el efecto Joule-Kelvin sólo tiene lugar en los gases reales y en los líquidos. XIV.2.- CURVAS Y COEFICIENTE DE INVERSIÓN Cuando se realizan una serie de experiencias Joule-Kelvin, a la misma temperatura inicial T1, y presión p1 pero variando la presión p2 del lado opuesto al tabique poroso, se observa que a cada presión p2, corresponde una T2 distinta, pero en cada una de las experiencias, las...