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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

TERMODINAMICA

EXPERIMENTO DE JOULE Y JOULE-THOMSON

ALEJANDRO GODINEZ GIL

INGENIERIA PETROLERA

GRUPO 301

ING. CARLOS ARTURO GONZALEZ EXPERIMENTO DE JOULE

El experimento de Joule es uno de los experimentos de la ciencia que cambiaron por completo el rumbo del mundo al brindar las herramientas para comprender un fenómeno muy esquivo: ¿qué es y cómo se transfiere la energía? Dada la importancia que tuvo en la comprensión de estos conceptos que aún hoy siguen siendo objeto de estudio para muchas ciencias, aquí reproduciremos de la manera más sencilla posible este experimento e iremos explicando detalladamente las implicaciones, los por qué y los cómo que envuelve este tremendo avance de la ciencia. Este experimento estableció que existía una relación entre dos tipos de energía que hasta entonces eran considerados como dos conceptos aparte: el trabajo y el calor. Aunque todavía no hay un acuerdo general entre todas las ramas de la ciencia que estudian la energía que defina satisfactoriamente este concepto para todas ellas, nos limitaremos a la definición propuesta por la termodinámica. La termodinámica es aquella rama que estudia la energía, sus manifestaciones, transformaciones y su transferencia. La definición termodinámica de la energía es: energía es todo aquello que tiene la capacidad de producir en los sistemas o desde ellos alguna forma de trabajo. El trabajo es consecuencia de una fuerza que provoca un desplazamiento ya sea desde los alrededores del sistema o dentro del mismo, ya sea de forma macroscópica (un pistón por ejemplo) o microscópico (el movimiento de los átomos dentro de un objeto). La definición anterior no podía ser establecida y no pudo haberlo sido sin los experimentos de Joule. El calor era considerado un fluido, algo así como un gas invisible que transfería el calor desde un objeto caliente hasta un objeto más frío o bien de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura. El experimento que demostraba la transferencia del calor y que pretendía justificar que el calor era un fluido consistía en colocar dos recipientes conectados y aislados del medio, con un gradiente o diferencia de temperatura entre ellos. Así, después de un tiempo de estar en contacto, el calor “fluía” desde el recipiente de mayor temperatura al de menor temperatura, provocando que el recipiente más caliente se enfriase y el recipiente más frío se calentase. Al final, ambos terminarán con una temperatura intermedia en común. Así, se pensaba que el calor fluía escapando del objeto más caliente al más frío, buscando el equilibrio térmico. Con la definición anterior no se podía establecer que el calor y el trabajo mecánico tuviesen relación directa, ya que una cosa era el trabajo mecánico y otra era el calor (que

se consideraba un fluido). Sin embargo, el experimento de Joule demostró que existe una relación entre los diferentes tipos de energía y las distintas formas de trabajo que se manifiestan debido a la energía. Si la energía era producto del calor y el calor era ajeno al sistema ya que se consideraba un fluido que “abandona” a los cuerpos más calientes, Joule demostró lo contrario con el experimento siguiente:

EXPERIMENTO DE 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. 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 JouleThomson.

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

el valor de

depende del gas específico, 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.