Efecto Joule-Thomson

La relación existente entre la temperatura, la presión y el volumen de un gas puede ser descrita de forma sencilla mediante las leyes de los gases, pero cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, estas leyes no pueden determinar por sí solas qué ocurre con la temperatura y la presión del gas. Normalmente, cuando un gas se expande de forma adiabática, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial.

El proceso de Joule-Thomson consiste en el paso de un gas desde un contenedor a una presión constante a otro que también se encuentra a presión constante, pero es menor es decir que, Pf < Pi, realizado a través de un estrangulamiento o una pared porosa. En este proceso el gas se expande de forma adiabática e irreversiblemente cuando pasa de un contenedor a otro, lo que genera una variación en la temperatura del gas. Durante este proceso de estrangulamiento la entalpía del gas es la misma en los estados inicial y final para una cierta masa de gas que ha pasado por el estrangulamiento, es decir, que permanece aproximadamente constante.

Normalmente mucho fluidos experimentan una reducción considerable de su temperatura durante el proceso de estrangulamiento, siendo esta la base de operación en los refrigeradores y en la mayoría de los acondicionadores de aire, sin embargo, esto no siempre ocurre. Algunas temperaturas pueden permanecer invariables o en algunos casos pueden incluso aumentar durante este proceso.

El comportamiento que presenta la temperatura de un fluido durante el proceso de estrangulamiento (h = constante) se encuentra definido por el coeficiente de Joule-Thomson, el cual dice que

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

Este coeficiente nos permite conocer el cambio que presenta la temperatura de un gas con respecto a la presión, durante un proceso de entalpía constante, en donde si

El coeficiente de Joule-Thomson representa la pendiente de las líneas h = constante en un diagrama T-P.

Es importante tener claro que el valor de JT 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, y su valor depende de la presión del gas justo antes de comenzar su expansión.

Con lo anterior dicho, la temperatura de inversión es aquella temperatura crítica en la cual, cuando un gas que se expande con entalpía constante, si se encuentra debajo de dicha temperatura, experimentará una disminución de la misma, y por encima de la cual experimentará un aumento de temperatura.

El efecto Joule-Thomson presenta una gran importancia, principalmente por dos hechos, los cuales son que:

• Se pueden referir a él otras propiedades termodinámicas, como son el volumen específico, el calor específico y la temperatura.
• En ciertas condiciones, en el proceso de estrangulación se presenta una reducción en la temperatura del fluido, generando así que se pueda presentar un enfriamiento mediante un sistema sin partes móviles. Cabe resaltar que bajo las condiciones adecuadas es posible que uno o más componentes de una corriente fluida pase a la fase líquida durante el proceso de estrangulación, de forma que puede utilizarse el sistema para proceder a la separación de componentes de una mezcla gaseosa.

De igual forma, el efecto Joule-Thomson presenta una gran variedad de aplicaciones, principalmente en la industria, entre las cuales se encuentran:

• El enfriamiento por efecto de Joule-Thomson será más pronunciado a temperaturas y a presiones bajas, siendo este comportamiento aplicado en la industria para licuar un gas, como puede ser el aire, en donde primero se enfría el gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática, y posteriormente se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. Esto genera una disminución en la presión y la temperatura del gas, produciendo así la licuación del gas.
• Procedimiento estándar en la industria petroquímica donde el efecto de enfriamiento se utiliza para licuar gases (término usado en la industria para referir una condensación, no confundir con licuefacción o fusión: cambio de sólido a líquido). En este procedimiento, los gases se procesan a temperaturas más bajas de su temperatura de inversión (coeficiente JT > 0). De manera que la disminución de presión y el descenso de la temperatura, provocado por el efecto, produce la licuación del gas.
• También usado en procesos criogénicos (producción de oxígeno, nitrógeno y argón principalmente).

Integrantes:

Jennifer Delgado

Rodrigo Gonzalez

Asdrubal Velázquez