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• Jonathan De La Cruz Herrera

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1. PRESENTACIÓN  En física, el efecto de Joule Thomson es el proceso de expansión o compresión de un sistema en función a la variación de su temperatura, con entalpía constante. Descrito por James Prescott y William Thomson, en 1852, quienes modificaron un trabajo realizado anteriormente por Joule, que consistía en el que un gas se expandía manteniendo constante su energía interna.  Cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante, un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson, sobre la cual al comprimirse el gas causa un aumento de temperatura, y por otro lado, la expansión del gas causa un enfriamiento.

2. MARCO TEÓRICO 2.1. PROCESO DE ESTRANGULACION: 

2.2. o

o

2.3.

El proceso de expansión de un fluido desde una región de alta presión hasta otra de baja presión generalmente realiza trabajo, o producen cambios en la energía potencial y cinética. Cuando no ocurren tales efectos se dice entonces que el proceso es de estrangulamiento. Por lo general se realiza mediante válvulas que estrangulan el fluido, pues este al adquirir una velocidad alta se disipa en turbulencia, o pueden reducirse a cero mediante la correcta selección del tubo. VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTO Una válvula de estrangulamiento es una restricción al flujo, en donde reduce la presión, no realiza trabajo y la transferencia de calor es pequeña. Si se elige el volumen de control lo suficientemente alejado de dicha restricción, el cambio de energía cinética resulta pequeño. Tipos básicos de válvulas de control de estrangulación: válvulas de globo con jaula, válvulas de bola, de disco excéntrico y de mariposa. APLICACIONES PRÁCTICAS DEL EFECTO JOULE-THOMPSON • Cálculo de la entalpía en un proceso isotérmico. • Refrigeración industrial. • Licuación de gases.

El Efecto Joule-Thomson

 Es central para los problemas tecnológicos relacionados en la licuefacción de los gases, el análisis del coeficiente de Joule Thomson. Como se demuestra en la justificación 2.3, la solución requerida para que el proceso sea isoentálpica, fue proporcionado por Joule y William Thomson, quienes permitieron a un gas expandirse a través de barrera porosa desde una presión constante a otra y registraron la diferencia de temperatura que surge de la expansión. El aparato completo fue aislado de manera que el proceso fuese adiabático. Ellos observaron menor temperatura en la zona de menor presión, y que la diferencia en la temperatura era proporcional a la diferencia de presión que ellos mantenían. Este enfriamiento por expansión isoentálpica es ahora llamado el efecto Joule Thomson. Justificación 2.3: El efecto Joule-Thomson: 

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Aquí mostramos que el dispositivo experimental produce expansión o entalpia constante. Como todos los cambios le ocurren al gas en forma adiabática. Q=0 Analizaremos el trabajo efectuado cuando el gas atraviesa la barrera, donde la presión Pi, la temperatura Ti y el gas ocupe un volumen Vi. El gas emerge en la zona de presión, donde las mismas cantidades de gas tiene una presión Pf, una temperatura Tf y ocupa un volumen Vf. El gas de la izquierda es comprimido isotérmicamente por el gas corriente arriba, que actúa como un émbolo. La presión es Pi y el volumen cambia desde Vi hasta 0; entonces el trabajo efectuado sobre el gas es: Wi= -Pi (0 – Vi) = PiVi El gas se expande isotérmicamente a la derecha de la barrera contra la presión Pf que ofrece el gas corriente abajo, que actúa como un embolo, para salir. El volumen cambia desde 0 hasta Vf y el trabajo efectuado sobre el gas en esta etapa es:

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W2= -Pf (Vf – 0) =-PfVf El trabajo total efectuado sobre el gas es la suma de estas dos cantidades.



W= W1 + W2 = PiVi – PfVf Por lo tanto el cambio de energía interna del gas cuando se mueve adiabáticamente desde un lado de la barrera al otro es : Vf – Vi = W = PiVi – PfVf

Expansión libre de Joule: 

La expansión libre es un proceso irreversible en el cual un gas se propaga en un recipiente vacío y aislado. También se le conoce como

expansión de Joule. Para un gas ideal, el cambio en entropía es el mismo que para el Efecto Joule-Thomson:

En la figura 1 se ha representado un recipiente aislado adiabáticamente del exterior dividido en dos compartimentos. En el compartimento de la izquierda hay un gas ideal y en el de la derecha se ha hecho el vacío. Cuando se elimina la pared central, ilustrado en la figura 2, el gas ideal se expande irreversiblemente hasta ocupar todo el volumen disponible.

Fig.1

Fig.2

Variación de entropía del universo 

Es un sistema aislado (no hay nada fuera de él), desde el punto de vista de la Termodinámica. De la misma manera en que se puede calcular la variación de entropía de un sistema termodinámico entre dos estados, puede calcularse la variación de entropía de sus alrededores (todo lo que ha interaccionado con nuestro sistema). La suma de ambas magnitudes se denomina variación de entropía del universo. Como el universo es un sistema aislado, utilizando el teorema de Clausius se tiene que, para el universo. (Levine, 2004)

Donde el signo igual es aplicable para una transformación reversible y el signo menor que cuando dicha transformación es irreversible. 

Bajo esta denominación se engloba y describe al proceso por el cual se fuerza el pasaje de una masa de gas a través de un estrangulamiento

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desde una región de mayor presión (p1) a otra de menor presión (p2) en condiciones adiabáticas. Es básicamente una expansión en la que, dependiendo de las condiciones de trabajo, se observa que durante el proceso, el gas se puede calentar, enfriar o bien la temperatura inicial y final ser las mismas. El proceso es continuo, pero puede analizarse por unidad de masa o de moles transferida bajo las siguientes condiciones. Condición inicial: w, p1, V1, T1, U1, H1, S1, Condición final: w, p2, V2, T2, U2, H2, S2,

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Durante este proceso se puede observar cambios que se reflejan en la temperatura del gas. Así, se pueden dar las siguientes variaciones en esta magnitud, T1 > T2 T1 = T2 T1 < T2

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Por ser adiabático, Qneto = 0. Por lo tanto, DU = U2-U1 = -Wneto. El trabajo neto en este proceso proviene de transferir w gramos del gas completamente desde la región de la izquierda hasta la región de la derecha. Este trabajo puede calcularse como suma de dos contribuciones, la energía que se entrega como trabajo ejerciendo la presión p1, y el que realiza el sistema contra el exterior cuando emerge en la región a la presión p2. Luego Wneto = -p1. (0-V1) - p2. (V2-0). Este resultado indica que el proceso de Joule-Thomson es isoentálpico, H2 = H1. Este experimento es un ejemplo clásico de un proceso irreversible. Finalmente, como el proceso de Joule-Thomson es adiabático e irreversible, el aumento de entropía del sistema coincide con la del universo. Luego, DS > 0, independientemente de la naturaleza del gas, o si el gas se enfría o se calienta. (Castellan, 1987)

Efecto de Joule-Thomson Coeficiente de Joule-Thomson 

La entalpía es constante en todo el dispositivo que produce un proceso de estrangulamiento. Resulta de interés conocer si la temperatura de la sustancia estrangulada aumenta o disminuye la magnitud del cambio. La propiedad que da esa información recibe el nombre de coeficiente de Joule-Thomson, p donde

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Si hacemos H=f(P,T), como la entalpía es una función de estado, en un proceso elemental se cumple:

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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:

Valores y signos del coeficiente de Joule-Thomson  

Un coeficiente de Joule-Thomson con signo positivo significa que la temperatura del fluido disminuye durante el estrangulamiento. Un coeficiente de Joule-Thomson con signo negativo significa que la temperatura del fluido aumenta durante el estrangulamiento.

IMPORTANCIA 

El coeficiente del efecto de Joule Thompson es importante en la licuefacción de gases porque dice si un gas se refresca o calienta en la expansión. Resulta que este coeficiente es una función que disminuye la temperatura y pasa con cero en la temperatura de inversión de Joule (temperatura a la cual el coeficiente se hace cero).

REFENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 

Schroeder, D. V. (2000). Thermal Physics. Editorial Addison Wesley ; p.142 Zemansky, M.W. (1968). Heat and Thermodynamics. USA: Editorial McGraw-Hill ; p.182,

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Levine, I. N. (2004) Fisicoquímica. Madrid, España: Editorial Mc Graw Hill; p.27-29 Atkins, P. (2008). “Química Física”. 8ª Edición. Buenos Aires, Argentina: Editorial medica panamericana.; pág. 63-67 Castellan, G. W (1987) FISICOQUIMICA. 2ªEdicion. Naucalpan, México: Editorial Addison-Wesley Iberoamericana.; p.414-424. Pernía, E. y Urdaneta, M. (2005). Estudio comparativo de la riqueza del gas natural venezolano, simulando con la válvula Joule – Thomson (Tesis especial de grado para optar el título de ing. Químico). Recuperado de http://200.35.84.131/portal/bases/marc/texto/2101-0500602.pdf Yunes, C.(2011). Termodinámica. Mexico: McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES Howell, J. (1990). Principios de Termodinámics para ingenieros. México DF, México: Editorial McGrill. Pág. 425 Zemansky, M.W. (1968). Heat and Thermodynamics, McGraw-Hill., p.182, 335 Schroeder, Daniel V. (2000). Thermal Physics, Addison Wesley Longman., p.142