UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓNR EFECTOS JOULE - THOMSON CATEDRATICO: Ing. JOSÉ LOPEZ LUIS CÁTEDRA: TERMODINÁMICA ESTUDIANTE: ROJAS CABEZA, Anatolia Verónica CICLO: SEMESTRE: VI 2014 – B 1 si el gas era ideal. Este fenómeno. OBJETIVO GENERAL: Conocer el efecto Joule Thomson para su estudio en experimento e termodinámica. INTRODUCCIÓN James Prescott Joule. El efecto es el nombre de James Prescott Joule y William Thomson. interpretación del tapón poroso. II. tales como refrigeradores. acondicionadores de aire. II. descripción. que se utiliza en refrigeración y en la industria de la licuefacción de los gases. un proceso de estrangulación es fundamentalmente irreversible. descubrió. y otros componentes de máquinas es una fuente de pérdidas que limita el rendimiento. el gas se expande en el vacío y el descenso de la temperatura del sistema es igual a cero. conocer su aplicación en la industria sobre la licuación del gas 2 . OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Reconocer la definición. quien la descubrió en 1852 después de un trabajo anterior de Joule en la expansión Joule. regeneradores. coeficiente del efecto Joule – Thomson. 1r barón Kelvin. en el que una de gas sufre una expansión libre en el vacío. que se conoce como efecto JouleThomson. El estrangulamiento debido a la resistencia al flujo en las líneas de suministro.1. Es en el corazón de las máquinas térmicas. intercambiadores de calor. que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. . El proceso de estrangulación es de la mayor importancia técnica. En el experimento de Joule. bombas de calor y licuadoras. junto al físico William Thomson (lord Kelvin). Por otra parte.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN I. las leyes de los gases no pueden determinar por si solas qué ocurre con la temperatura y presión del gas. 3 . III. Para una presión constante.2. a través de un tubo que contiene un “estrangulamiento” u obstáculo que puede ser un tapón poroso. etc. y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. cuando un gas se expande adiabáticamente. la expansión del gas causa un enfriamiento. MARCO TEÓRICO: III.1. En la mayoría de los gases. dependiendo de la presión y temperatura inicial. presión y volumen de un gas se puede describir de una forma sencilla gracias a las leyes de los gases. la expansión es muy lenta de tal forma que las presiones a cada lado del obstáculo se mantienen prácticamente constantes. una válvula apenas abierta.3.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN III. III. Debido al estrangulamiento. mucho mayor que la temperatura ambiental. un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin). En general. a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta. DEFINICIÓN: 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. la temperatura puede aumentar o disminuir. y por debajo. El experimento consiste en dejar fluir un gas desde una presión elevada a otra presión inferior. sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura. Cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible. EXPERIMENTO DEL TAPÓN POROSO. DESCRIPCIÓN: La relación entre temperatura. un orificio muy pequeño. que el gas fluye por un tubo horizontal. y por consiguiente no se conocen los estados intermedios.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN Se impide el intercambio de calor entre el gas y el medio exterior mediante un aislamiento térmico. y al otro lado una presión menor P2. no se puede decir que la transformación se realice a entalpía constante. A un lado del obstáculo se mantiene la presión mayor P1. constante mediante una bomba. En consecuencia resulta que: U1 + P1 . que contiene un obstáculo. Esta presión P2 en muchos casos puede ser la presión del medio exterior. como observamos en la figura. por ejemplo la presión atmosférica. 4 . de modo tal que el proceso se realice en condiciones adiabáticas. Sin embargo como el proceso es irreversible. Supongamos. Este resultado nos indica que el valor de la entalpía es el mismo antes y después del proceso de estrangulamiento. v1 = U2 + P2 . Es entonces conveniente aclarar que el proceso de Joule-Thomson no es una transformación isoentálpica (el lugar geométrico de todos los puntos que representan “estados de equilibrio” de la misma entalpía). Las temperaturas a las presiones P1 y P2 son respectivamente T1 y T2. aislado adiabáticamente. v2 y por definición de entalpía: H1 = H2. A la derecha una cantidad similar del gas estará a una presión de P2. y se lo simboliza con la letra μ.P1V1. la presión y la temperatura en el lado izquierdo del tapón poroso son P1 y T1 y un cierto volumen de V1. en un proceso de estrangulamiento entre dos estados. Esto da una relación por el trabajo realizado como: W = P2V2 . Para gases reales esto será igual a cero en un mismo punto llamado 5 .UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN No obstante. dH = 0.4. µ = ∆T ∆p Esta expresión se puede encontrar también escrita de la siguiente forma: µ JT = ∂T ∂P El valor de µ JT depende del gas específico. se cumple que: ΔH = 0 y si la transformación es elemental. Como el gas se comprime el trabajo realizado sobre el gas es P1V1 y el trabajo resultante realizado por el gas durante esta expansión es P2V2. EL COEFICIENTE DE JOULE-THOMSON El incremento de temperatura (ΔT) con respecto al incremento de presión (Δp) en un proceso de Joule-Thomson es el coeficiente de Joule-Thomson. III. la temperatura T2 y ocupará un volumen V2.5. LA INTERPRETACIÓN TERMODINÁMICA DEL EXPERIMENTO: Si tenemos en cuenta que cierta cantidad de gas ha pasado a través del tapón poroso a continuación. como la entalpía es una función de estado. III. tanto como la temperatura y la presión del gas antes de la expansión o compresión. los dos gases más abundantes en el aire. Para un gas ideal. La temperatura de este punto.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN punto de inversión y la temperatura de inversión Joule-Thomson es aquella donde el signo del coeficiente cambia. respectivamente: estos gases se pueden enfriar a temperatura ambiente por el efecto Joule-Thomson. la temperatura de inversión de Joule-Thomson. depende de la presión del gas antes de la expansión. Todos los gases reales tienen un punto de inversión en la que el valor de los cambios de signo. el helio y el hidrógeno se calientan cuando se expandió a entalpía constante a temperaturas típicas de las habitaciones. III. El valor de se expresa típicamente en C/bar y depende del tipo de gas y de la temperatura y la presión del gas antes de la expansión. Su dependencia de la presión es por lo general sólo un pequeño tanto por ciento para presiones de hasta 100 bar. por lo que la señal de es negativo por definición. tienen temperaturas de inversión de 621 K y 764 K. Se explica que el efecto Joule-Thomson enfría o calienta un gas real: El helio y el hidrógeno son dos gases cuyas Joule-Thomson inversión de temperaturas en una presión de una atmósfera son muy bajos para el helio). Por otra parte el nitrógeno y el oxígeno. En una expansión de gas la presión disminuye.6. es siempre igual a cero: los gases ideales ni caliente ni fría al ser expandido a entalpía constante. APLICACIONES DEL EFECTO JOULE-THOMSON 6 . Por lo tanto. el término Valores y signos del coeficiente de JouleThomson es de mayor valor absoluto y negativo el coeficiente de Joule-Thomson tendrá los valores positivos más altos. LA PRUEBA DE QUE LA ENTALPÍA ESPECÍFICA SE MANTIENE CONSTANTE En termodinámica llamados cantidades "específicos" son cantidades por kilogramo y se indican con caracteres en minúscula. Para ello primero se enfría el gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática. el efecto Joule-Thomson se consigue permitiendo que el gas se expanda a través de un dispositivo de estrangulamiento. u. produce la licuación del gas. Así h. el primer paso consiste en calcular el trabajo neto realizado cuando una masa m del gas se mueve a través del tapón. Para probar esto. respectivamente. se produce una disminución de su temperatura. En un proceso de Joule-Thomson la entalpía específica h se mantiene constante. el enfriamiento por efecto de JouleThomson será más pronunciado a temperaturas bajas y presiones bajas. el trabajo realizado sobre el gas por el resto del gas en la región de 1 m es = 7 . III. Este comportamiento se aplica en la industria para licuar un gas. y v son la entalpía. a temperatura bajas. La disminución de presión y el descenso de temperatura provocado por este efecto.7.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN En la práctica. Como consecuencia de ello. a presiones y temperaturas adecuadas. por ejemplo. y el volumen por kilogramo. energía interna. Esta cantidad de gas tiene un volumen de V1 = V1 m en la región a presión P1 y un volumen V2 = V2 cuando m en la región a presión P2. el aire. A continuación. Como se cumple que cuanto más baja es la temperatura. y luego se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. En la región 2 de la cantidad de trabajo realizado por el gas es m P2V2. las leyes de los gases no pueden determinar por si solas qué ocurre con la temperatura y presión del gas. respectivamente. la ecuación anterior implica que donde h1 y h2 denotan las entalpías específicas del gas en las regiones 1 y 2.textoscientificos.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN P1V1. descriptivamente cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible. Usando la definición de la entalpía específica h = u Pv. por la primera ley de la termodinámica. respectivamente IV. Por lo tanto. CONCLUSIONES: Se conoció que el efecto Joule Thomson es muy importante en la refrigeración y licuefacción del gas que son motivos de estudio en termodinámica Se reconoció que el efecto Joule Thomson 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. En el proceso de Joule-Thomson se aísla el gas. la cantidad total de calor absorbido por el gas.org/wiki/Efecto_Joule-Thomson www.wikipedia.com/fisica/efecto-joule-thomson V. BIBLIOGRAFÍA es. el trabajo total realizado por el gas es El cambio de energía interna más el trabajo realizado por el gas es. 8 . Para una presión constante. Esto significa que donde u1 y u2 denotan las energías internas específicas del gas en las regiones 1 y 2. por lo que no se absorbe calor. produce la licuación del gas. sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura. y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. coeficiente del efecto Joule – Thomson la mayoría de los gases. y luego se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. y el experimento e interpretación del tapón poroso. Se conoció que el efecto Joule Thomson se aplica en la industria mediante el enfriamiento del gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática. la expansión del gas causa un enfriamiento. a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta. La disminución de presión y el descenso de temperatura provocado por este efecto. mucho mayor que la temperatura ambiental. 9 . y por debajo.UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin).