EFECTO JOULE THOMSON.docx

7/24/2019 EFECTO JOULE THOMSON.docx

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UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIN

R

CATEDRATICO: Ing. JOS LOPEZ LUIS

CTEDRA: TERMODINMICA

ESTUDIANTE: ROJAS CABEZA, Anatolia V!"ni#a

CICLO: VI

SEMESTRE: $%&' ( B

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E)ECTOS JOULE * T+OMSON


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I. INTRODUCCIN

James Prescott Joule, descubri, junto al fsico William Thomson (lord

Kelvin), que la temperatura de un as desciende cuando se e!pande sin

reali"ar nin#n trabajo$ %ste fenmeno, que se conoce como efecto Joule&Thomson, que se utili"a en refrieracin ' en la industria de la

licuefaccin de los ases$ $

%l efecto es el nombre de James Prescott Joule ' William Thomson, r

barn Kelvin, quien la descubri en *+ despus de un trabajo anterior

de Joule en la e!pansin Joule, en el que una de as sufre una e!pansin

libre en el vaco$

%n el e!perimento de Joule, el as se e!pande en el vaco ' el descenso

de la temperatura del sistema es iual a cero, si el as era ideal$

%l proceso de estranulacin es de la ma'or importancia tcnica$ %s en el

cora"n de las m-quinas trmicas, tales como refrieradores,

acondicionadores de aire, bombas de calor ' licuadoras$ Por otra parte,

un proceso de estranulacin es fundamentalmente irreversible$ %l

estranulamiento debido a la resistencia al flujo en las lneas 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 ESPECFICOS:

/econocer la definicin, descripcin, e!perimento e

interpretacin del tapn poroso, coeficiente del efecto Joule 0

Thomson$

conocer su aplicacin en la industria sobre la licuacin del as

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III. MARCO TERICO:III.1. DEFINICIN: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 entalpa constante$

III.2. DESCRIPCIN:

1a relacin entre temperatura, presin ' 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 ' presin del as$

%n eneral, cuando un as se e!pande adiab-ticamente, la

temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presin

' temperatura inicial$ Para una presin constante, un as tendr- una

temperatura de inversin de Joule&Thomson (Kelvin), sobre la cual al

e!pandirse el as causa un aumento de temperatura, ' por debajo,

la e!pansin del as causa un enfriamiento$ %n la ma'ora de los

ases, a presin atmosfrica esta temperatura es bastante alta,

mucho ma'or que la temperatura ambiental, ' por ello la ma'ora de

los ases se enfran al e!pandirse$

III.3. EXPERIMENTO DEL TAPN POROSO.

%l e!perimento consiste en dejar fluir un as desde una presin

elevada a otra presin inferior, a travs de un tubo que contiene un

2estranulamiento3 u obst-culo que puede ser un tapn poroso, una

v-lvula apenas abierta, un orificio mu' peque4o, etc$ 5ebido al

estranulamiento, la e!pansin es mu' lenta de tal forma que las

presiones a cada lado del obst-culo se mantienen pr-cticamente

constantes$

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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 presin ma'or P, constante

mediante una bomba, ' al otro lado una presin menor P+$ %sta

presin P+ en muchos casos puede ser la presin del medio e!terior,

por ejemplo la presin atmosfrica$

1as temperaturas a las presiones P ' P+ son respectivamente T '

T+$

%n consecuencia resulta que8

U1 + P1 . v1 = U2 + P2 . v2' por definicin de entalpa8 1 = 2.

%ste resultado nos indica que el valor de la entalpa es el mismo

antes ' despus del proceso de estranulamiento$ 6in embarocomo el proceso es irreversible, ' por consiuiente no se conocen

los estados intermedios, no se puede decir que la transformacin se

realice a entalpa constante$

%s entonces conveniente aclarar que el proceso de Joule&Thomson

no es una transformacin isoent-lpica (el luar eomtrico de todos

los puntos que representan 2estados de equilibrio3 de la misma

entalpa)$

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9o obstante, como la entalpa es una funcin de estado, en un

proceso de estranulamiento entre dos estados, se cumple que8

:; < = ' si la transformacin es elemental, d; < =$

III.!. LA INTERPRETACIN TERMODIN"MICA DEL EXPERIMENTO:

6i tenemos en cuenta que cierta cantidad de as ha pasado a travs

del tapn poroso a continuacin, la presin ' la temperatura en el

lado i"quierdo del tapn poroso son P ' T ' un cierto volumen de

>$

7 la derecha una cantidad similar del as estar- a una presin 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!pansin es

P+>+$ %sto da una relacin por el trabajo reali"ado como8

# = P2V2 $ P1V1.

III.%. EL COEFICIENTE DE JOULE$TOMSON

%l incremento de temperatura (:T) con respecto al incremento de

presin (:p) en un proceso de Joule&Thomson es el coeficiente de

Joule&Thomson, ' se lo simboli"a con la letra ?$

@< AT Ap%sta e!presin se puede encontrar tambin escrita de la siuiente

forma8

@JT < BT BP

%l valor de @ JT depende del as especfico, tanto como la

temperatura ' la presin del as antes de la e!pansin o compresin$

Para ases reales esto ser- iual a cero en un mismo punto llamado

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punto de inversin ' la temperatura de inversin Joule&Thomson es

aquella donde el sino del coeficiente cambia$

%l valor de se e!presa tpicamente en .Cbar ' depende del tipo de

as ' de la temperatura ' la presin del as antes de la e!pansin$

6u dependencia de la presin es por lo eneral slo un peque4o

tanto por ciento para presiones de hasta == bar$

Todos los ases reales tienen un punto de inversin en la que el

valor de los cambios de sino$ 1a temperatura de este punto, la

temperatura de inversin de Joule&Thomson, depende de la presin

del as antes de la e!pansin$

%n una e!pansin de as la presin disminu'e, por lo que la se4al

de es neativo por definicin$

6e e!plica que el efecto Joule&Thomson enfra o calienta un as real8

%l helio ' el hidreno son dos ases cu'as Joule&Thomson

inversin de temperaturas en una presin de una atmsfera son mu'

bajos para el helio)$ Por lo tanto, el helio ' el hidreno se calientan

cuando se e!pandi a entalpa constante a temperaturas tpicas de

las habitaciones$ Por otra parte el nitreno ' el o!eno, los dos

ases m-s abundantes en el aire, tienen temperaturas de inversin

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 fra al ser e!pandido a entalpa constante$

III.&. APLICACIONES DEL EFECTOJOULE$TOMSON

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%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 disminucin

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 enfra el as 'a sea por

contacto con otro m-s fro o por e!pansin adiab-tica, ' lueo se lo

deja e!pandir a travs de un estranulamiento$ 1a disminucin de

presin ' el descenso de temperatura provocado por este efecto,

produce la licuacin del as$

III.'. LA PRUEBA DE (UE LA ENTALPA ESPECFICA SE MANTIENE

CONSTANTE

%n termodin-mica llamados cantidades GespecficosG son cantidades

por Hiloramo ' se indican con caracteres en min#scula$ 7s h, u, ' v

son la entalpa, enera interna, ' el volumen por Hiloramo,

respectivamente$ %n un proceso de Joule&Thomson la entalpa

especfica 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 tapn$ %sta cantidad de as tiene un

volumen de > < > m en la rein a presin P ' un volumen >+ + cuando m en la rein a presin P+$ 7 continuacin, el trabajo

reali"ado sobre el as por el resto del as en la rein de m es $ %n la rein + 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 enera 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 asla el

as, por lo que no se absorbe calor$ %sto sinifica que donde u ' u+

denotan las eneras internas especficas del as en las reiones '

+, respectivamente$ Isando la definicin de la entalpa especfica h

< u Pv, la ecuacin anterior implica que donde h ' h+ denotan las

entalpas especficas del as en las reiones ' +, respectivamente

IV. BIBLIOGRAFAes$iHipedia$orCiHiC%fectoJoule&Thomson$te!toscientificos$comCfisicaCefecto&joule&thomson

V. CONCLUSIONES:

6e conoci que el efecto Joule Thomson es mu' importante en la

refrieracin ' licuefaccin del as que son motivos de estudio en

termodin-mica

6e reconoci 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 entalpa constante,

descriptivamente cuando el volumen aumenta durante un proceso

irreversible, las le'es de los ases no pueden determinar por si solas quocurre con la temperatura ' presin del as$ Para una presin constante,

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un as tendr- una temperatura de inversin de Joule&Thomson (Kelvin),

sobre la cual al e!pandirse el as causa un aumento de temperatura, '

por debajo, la e!pansin del as causa un enfriamiento, ' el e!perimento

e interpretacin del tapn poroso, coeficiente del efecto Joule 0 Thomson

la ma'ora de los ases, a presin atmosfrica esta temperatura es

bastante alta, mucho ma'or que la temperatura ambiental, ' por ello la

ma'ora de los ases se enfran al e!pandirse$

6e conoci que el efecto Joule Thomson se aplica en la industria

mediante el enfriamiento del as 'a sea por contacto con otro m-s fro o

por e!pansin adiab-tica, ' lueo se lo deja e!pandir a travs de un

estranulamiento$ 1a disminucin de presin ' el descenso detemperatura provocado por este efecto, produce la licuacin del as$

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