UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN
R
E)ECTOS JOULE * T+OMSON CATEDRAT CATEDRATICO: ICO:
Ing. JOSÉ LOPEZ LUIS
CÁTEDRA:
TERMODINÁMICA
ESTUDIANTE: ESTUDIANTE :
ROJAS CABEZA, Anatolia V!"ni#a V!"ni#a
CICLO:
SEMESTRE:
VI
$%&' ( B
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I.
INTRODUCCIÓN
James Prescott Joule, descubrió, junto al físico William Thomson (lord Kelvin), que la temperatura de un as desciende cuando se e!pande sin reali"ar nin#n trabajo$ %ste fenómeno, que se conoce como efecto Joule& Thomson,
que se utili"a en refrieración ' en la industria de la
licuefacción de los ases$ $ %l efecto es el nombre de James Prescott Joule ' William Thomson, r barón Kelvin, quien la descubrió en *+ despus de un trabajo anterior de Joule en la e!pansión Joule, en el que una de as sufre una e!pansión libre en el vacío$ %n el e!perimento de Joule, el as se e!pande en el vacío ' el descenso de la temperatura del sistema es iual a cero, si el as era ideal$ %l proceso de estranulación es de la ma'or importancia tcnica$ %s en el cora"ón
de
las
m-quinas
trmicas,
tales
como
refrieradores,
acondicionadores de aire, bombas de calor ' licuadoras$ Por otra parte, un proceso de estranulación es fundamentalmente irreversible$ %l estranulamiento debido a la resistencia al flujo en las líneas de suministro,
intercambiadores
de
calor,
reeneradores,
'
otros
componentes de m-quinas es una fuente de prdidas que limita el rendimiento$
II.
OBJETIVO GENERAL: .onocer el efecto •
Joule
Thomson
para
su
estudio
en
termodin-mica$
II.1.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: /econocer la definición, •
descripción,
e!perimento
e
interpretación del tapón poroso, coeficiente del efecto Joule 0 •
Thomson$ conocer su aplicación en la industria sobre la licuación del as
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III.
MARCO TEÓRICO: III.1. DEFINICIÓN: es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminu'e o aumenta al permitir que el sistema se e!panda libremente manteniendo la entalpía constante$
III.2.
DESCRIPCIÓN: 1a relación entre temperatura, presión ' volumen de un as se puede describir de una forma sencilla racias a las le'es de los ases$ .uando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, las le'es de los ases no pueden determinar por si solas qu ocurre con la temperatura ' presión del as$ %n eneral, cuando un as se e!pande adiab-ticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión ' temperatura inicial$ Para una presión constante, un as tendr- una temperatura de inversión de Joule&Thomson (Kelvin), sobre la cual al e!pandirse el as causa un aumento de temperatura, ' por debajo, la e!pansión del as causa un enfriamiento$ %n la ma'oría de los ases, a presión atmosfrica esta temperatura es bastante alta, mucho ma'or que la temperatura ambiental, ' por ello la ma'oría de los ases se enfrían al e!pandirse$
III.3.
EXPERIMENTO DEL TAPÓN POROSO. %l e!perimento consiste en dejar fluir un as desde una presión elevada a otra presión inferior, a travs de un tubo que contiene un 2estranulamiento3 u obst-culo que puede ser un tapón poroso, una v-lvula apenas abierta, un orificio mu' peque4o, etc$ 5ebido al estranulamiento, la e!pansión es mu' lenta de tal forma que las presiones a cada lado del obst-culo se mantienen pr-cticamente constantes$
3
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN 6e impide el intercambio de calor entre el as ' el medio e!terior mediante un aislamiento trmico, de modo tal que el proceso se realice en condiciones adiab-ticas$
6uponamos, como observamos en la fiura, que el as flu'e por un tubo hori"ontal, aislado adiab-ticamente, que contiene un obst-culo$ 7 un lado del obst-culo se mantiene la presión ma'or P, constante mediante una bomba, ' al otro lado una presión menor P+$ %sta presión P+ en muchos casos puede ser la presión del medio e!terior, por ejemplo la presión atmosfrica$ 1as temperaturas a las presiones P ' P+ son respectivamente T ' T+$ %n consecuencia resulta que8
U1 + P1 . v1 = U2 + P2 . v2 ' por definición de entalpía8 1 = 2. %ste resultado nos indica que el valor de la entalpía es el mismo antes ' despus del proceso de estranulamiento$ 6in embaro como el proceso es irreversible, ' por consiuiente no se conocen los estados intermedios, no se puede decir que la transformación se realice a entalpía constante$ %s entonces conveniente aclarar que el proceso de Joule&Thomson no es una transformación isoent-lpica (el luar eomtrico de todos los puntos que representan 2estados de equilibrio3 de la misma entalpía)$ 4
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN 9o obstante, como la entalpía es una función de estado, en un proceso de estranulamiento entre dos estados, se cumple que8 :; < = ' si la transformación es elemental, d; < =$
III.!.
LA INTERPRETACIÓN TERMODIN"MICA DEL EXPERIMENTO: 6i tenemos en cuenta que cierta cantidad de as ha pasado a travs del tapón poroso a continuación, la presión ' la temperatura en el lado i"quierdo del tapón poroso son P ' T ' un cierto volumen de >$ 7 la derecha una cantidad similar del as estar- a una presión de P+, la temperatura T+ ' ocupar- un volumen >+$ .omo el as se comprime el trabajo reali"ado sobre el as es P> ' el trabajo resultante reali"ado por el as durante esta e!pansión es P+>+$ %sto da una relación por el trabajo reali"ado como8
# = P2V2 $ P1V1.
III.%.
EL COEFICIENTE DE JOULE$TOMSON %l incremento de temperatura (:T) con respecto al incremento de presión (:p) en un proceso de Joule&Thomson es el coeficiente de Joule&Thomson, ' se lo simboli"a con la letra ?$
@ < AT Ap %sta e!presión se puede encontrar tambin escrita de la siuiente forma8
@ JT
< BT BP
%l
valor de
@
JT
depende del as específico, tanto como la
temperatura ' la presión del as antes de la e!pansión o compresión$ Para ases reales esto ser- iual a cero en un mismo punto llamado 5
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN punto de inversión ' la temperatura de inversión Joule&Thomson es aquella donde el sino del coeficiente cambia$
%l valor de se e!presa típicamente en .Cbar ' depende del tipo de as ' de la temperatura ' la presión del as antes de la e!pansión$ 6u dependencia de la presión es por lo eneral sólo un peque4o tanto por ciento para presiones de hasta == bar$
Todos los ases reales tienen un punto de inversión en la que el valor de los cambios de sino$ 1a temperatura de este punto, la temperatura de inversión de Joule&Thomson, depende de la presión del as antes de la e!pansión$ %n una e!pansión de as la presión disminu'e, por lo que la se4al de es neativo por definición$ 6e e!plica que el efecto Joule&Thomson enfría o calienta un as real8 %l helio ' el hidróeno son dos ases cu'as Joule&Thomson inversión de temperaturas en una presión de una atmósfera son mu' bajos para el helio)$ Por lo tanto, el helio ' el hidróeno se calientan cuando se e!pandió a entalpía constante a temperaturas típicas de las habitaciones$ Por otra parte el nitróeno ' el o!íeno, los dos ases m-s abundantes en el aire, tienen temperaturas de inversión de D+ K ' EDF K, respectivamente8 estos ases se pueden enfriar a temperatura ambiente por el efecto Joule&Thomson$ Para un as ideal, es siempre iual a cero8 los ases ideales ni caliente ni fría al ser e!pandido a entalpía constante$
III.&.
APLICACIONES DEL EFECTO JOULE$TOMSON
6
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN %n la pr-ctica, el efecto Joule&Thomson se consiue permitiendo que el as se e!panda a travs de un dispositivo de estranulamiento, a presiones ' temperaturas adecuadas, se produce una disminución de su temperatura$ .omo se cumple que cuanto m-s baja es la temperatura, el trmino >alores ' sinos del coeficiente de Joule& Thomson es de ma'or valor absoluto ' neativo el coeficiente de Joule&Thomson tendr- los valores positivos m-s altos, a temperatura bajas$ .omo consecuencia de ello, el enfriamiento por efecto de Joule& Thomson ser- m-s pronunciado a temperaturas bajas ' presiones bajas$ %ste comportamiento se aplica en la industria para licuar un as, por ejemplo, el aire$ Para ello primero se enfría el as 'a sea por contacto con otro m-s frío o por e!pansión adiab-tica, ' lueo se lo deja e!pandir a travs de un estranulamiento$ 1a disminución de presión ' el descenso de temperatura provocado por este efecto, produce la licuación del as$
III.'.
LA PRUEBA DE (UE LA ENTALPÍA ESPECÍFICA SE MANTIENE CONSTANTE %n termodin-mica llamados cantidades GespecíficosG son cantidades por Hiloramo ' se indican con caracteres en min#scula$ 7sí h, u, ' v son la entalpía, enería interna, ' el volumen por Hiloramo, respectivamente$ %n un proceso de Joule&Thomson la entalpía específica h se mantiene constante$ Para probar esto, el primer paso consiste en calcular el trabajo neto reali"ado cuando una masa m del as se mueve a travs del tapón$ %sta cantidad de as tiene un volumen de > < > m en la reión a presión P ' un volumen >+ < >+ cuando m en la reión a presión P+$ 7 continuación, el trabajo reali"ado sobre el as por el resto del as en la reión de m es <
7
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN P>$ %n la reión + de la cantidad de trabajo reali"ado por el as es m P+>+$ Por lo tanto, el trabajo total reali"ado por el as es %l cambio de enería interna m-s el trabajo reali"ado por el as es, por la primera le' de la termodin-mica, la cantidad total de calor absorbido por el as$ %n el proceso de Joule&Thomson se aísla el as, por lo que no se absorbe calor$ %sto sinifica que donde u ' u+ denotan las enerías internas específicas del as en l as reiones ' +, respectivamente$ Isando la definición de la entalpía específica h < u Pv, la ecuación anterior implica que donde h ' h+ denotan las entalpías específicas del as en las reiones ' +, respectivamente
IV.
BIBLIOGRAFÍA es$iHipedia$orCiHiC%fectoJoule&Thomson $te!toscientificos$comCfisicaCefecto&joule&thomson
V. •
CONCLUSIONES:
6e conoció que el efecto Joule Thomson es mu' importante en la refrieración ' licuefacción del as que son motivos de estudio en termodin-mica
•
6e reconoció que el efecto Joule Thomson es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminu'e o aumenta al permitir que el sistema se e!panda libremente manteniendo la entalpía constante, descriptivamente cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, las le'es de los ases no pueden determinar por si solas qu ocurre con la temperatura ' presión del as$ Para una presión constante, 8
UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIÓN un as tendr- una temperatura de inversión de Joule&Thomson (Kelvin), sobre la cual al e!pandirse el as causa un aumento de temperatura, ' por debajo, la e!pansión del as causa un enfriamiento, ' el e!perimento e interpretación del tapón poroso, coeficiente del efecto Joule 0 Thomson la ma'oría de los ases, a presión atmosfrica esta temperatura es bastante alta, mucho ma'or que la temperatura ambiental, ' por ello la ma'oría de los ases se enfrían al e!pandirse$ •
6e conoció que el efecto Joule Thomson se aplica en la industria mediante el enfriamiento del as 'a sea por contacto con otro m-s frío o por e!pansión adiab-tica, ' lueo se lo deja e!pandir a travs de un estranulamiento$
1a disminución
de
presión
'
el descenso
temperatura provocado por este efecto, produce la licuación del as$
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de
