El documento describe el coeficiente de Joule-Thomson y el experimento del tapón poroso. El coeficiente de Joule-Thomson (μ) representa el cambio de temperatura de un gas con el cambio de presión durante una expansión isenthalpica. Para la mayoría de los gases a baja presión, μ es positivo y la temperatura disminuye durante la expansión, mientras que a alta presión o para gases como el helio y el hidrógeno, μ puede ser negativo y la temperatura aumenta. El experimento del tapón poroso mide los cambios

1. 4770372100869-30196149111 ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALTERMODINÁMICA ITEMA:Coeficiente de Joule y Thomson James Prescott Joule 393954019685Nació en Salford, Reino Unido, el 24 de diciembre de 1818. Fue el segundo de cinco hermanos. Físico británico, a quien se le debe la teoría mecánica del calor, y en cuyo honor la unidad de la energía en el sistema internacional recibe el nombre de Julio. James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio de hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Manchester. Fue uno de los más destacados de su tiempo. En 1840 descubrió el Efecto Joule o generación de calor al paso de una corriente eléctrica, y también enunció la Ley de Joule. Trabajó junto a William Thomson, con quien en 1852 descubrió el efecto Joule-Thomson, que se utiliza en refrigeración y en la industria de licuefacción de gases. A lo largo de su vida fue galardonado con varios honores tanto de universidades como de sociedades científicas de todo el mundo. Sus Escritos científicos (2 volúmenes) se publicaron en 1885 y en 1887. Entre sus obras también destaca
Sobre la producción de calor mediante electricidad voltaica
(1840). Murió el 11 de octubre de 1889, en su tierra natal. Joseph John Thomson (Cheetham Hill, Reino Unido, 1856-Cambridge, id., 1940) Físico británico. Hijo de un librero, Joseph John Thomson estudió en Owens College, más tarde en la Universidad de Manchester y en el Trinity College de Cambridge. Se graduó en matemáticas en 1880, ocupó la cátedra Cavendish y, posteriormente, fue nombrado director del laboratorio de Cavendish en la Universidad de Cambridge. Thomson investigó la naturaleza de los rayos catódicos y demostró que los campos eléctricos podían provocar la desviación de éstos y experimentó su desviación, bajo el efecto combinado de campos eléctricos y magnéticos, buscando la relación existente entre la carga y la masa de las partículas, proporcionalidad que se mantenía constante aun cuando se alteraba el material del cátodo. En 1897 descubrió una nueva partícula y demostró que ésta era aproximadamente mil veces más ligera que el hidrógeno. Esta partícula fue bautizada por Stoney con el nombre de electrón. Joseph John Thomson fue, por tanto, el primero que identificó partículas subatómicas y dio importantes conclusiones sobre esas partículas cargadas negativamente. Con el aparato que construyó obtuvo la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón. 34290281305Thomson examinó además los rayos positivos, estudiados anteriormente por E. Goldstein, y en 1912 descubrió el modo de utilizarlos en la separación de átomos de diferente masa. El objetivo se consiguió desviando los rayos positivos en campos eléctricos y magnéticos, método que en la actualidad se llama espectrometría de masas. Con esta técnica descubrió que el neón posee dos isótopos, el neón-20 y el neón-22. Todos estos trabajos sirvieron a Thomson para establecer un modelo de la estructura del átomo, aunque incorrecto, pues el suponía que las partículas cargadas positivamente se encontraban mezcladas homogéneamente con las negativas. Experimento del tapón poroso El experimento consiste en dejar fluir un gas desde una presión elevada a otra presión inferior, a través de un tubo que contiene un “estrangulamiento” u obstáculo que puede ser un tapón poroso, una válvula apenas abierta, un orificio muy pequeño, etc. Debido al estrangulamiento, la expansión es muy lenta de tal forma que las presiones a cada lado del obstáculo se mantienen prácticamente constantes. Se impide el intercambio de calor entre el gas y el medio exterior mediante un aislamiento térmico, de modo tal que el proceso se realice en condiciones adiabáticas. Supongamos, como observamos en la figura, que el gas fluye por un tubo horizontal, aislado adiabáticamente, que contiene un obstáculo. A un lado del obstáculo se mantiene la presión mayor P1, constante mediante una bomba, y al otro lado una presión menor P2. Esta presión P2 en muchos casos puede ser la presión del medio exterior, por ejemplo la presión atmosférica. Las temperaturas a las presiones P1 y P2 son respectivamente T1 y T2. Aplicando la ecuación del Primer Principio para sistemas abiertos, que ya vimos en el tema anterior: Debido a que el gas fluye lentamente ω1 y ω2 son prácticamente nulos, y ω12/2 y ω22/2 ≅ 0. Como el tubo es horizontal h1 ≅ h2. Además, por estar el sistema aislado adiabáticamente, Q = 0. Por último, no hay trabajo de circulación, Wc= 2 En consecuencia resulta que U1 + P1 . v1 = U2 + P2 . v2 y por definición de entalpía: H1 = H2. Este resultado nos indica que el valor de la entalpía es el mismo antes y después del proceso de estrangulamiento. Sin embargo como el proceso es irreversible, y por consiguiente no se conocen los estados intermedios, no se puede decir que la transformación se realice a entalpía constante. Es entonces conveniente aclarar que el proceso de Joule-Thomson no es una transformación isoentálpica, entendiéndose por transformación isoentálpica el lugar geométrico de todos los puntos que representan “estados de equilibrio” de la misma entalpía. No obstante, como la entalpía es una función de estado, en un proceso de estrangulamiento entre dos estados, se cumple que ΔH = 0 y si la transformación es elemental, dH = 0. Coeficiente de Joule-Thomson Si hacemos H=f(P,T), como la entalpía es una función de estado, en un proceso elemental se cumple: 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: La cantidad , que representa la variación de la temperatura con la presión en un proceso de Loule-Thomson, se denomina “coeficiente de Joule-Thomson” y se lo simboliza con la letra μ. Como en la ecuación anterior es igual a CP, nos queda finalmente: (1) Como H=U + P.V la expresión puede también tomar la forma: (2) Que nos da una ecuación completamente general, aplicable a cualquier gas. En el caso particular de un gas ideal, se cumple que: en consecuencia, como CP ≠ 0 resulta μ =0 Que nos indica que si un gas ideal sufre un estrangulamiento, su temperatura varía, pues: Un fluido a una presión y temperatura fija (y, por tanto, entalpía fija), P1 y T1, es forzado a pasar a través de un tapón poroso, proceso tras el cual se miden su presión y temperatura, P2 y T2, aguas abajo. El experimento se repite para distintos tamaños de tapón, cada uno entregando un set diferente de P2 y T2. Graficando estos sets en un diagrama T-P se obtiene una curva de isoentalpía (h=constante). Repitiendo el experimento para distintos sets de estados iniciales y graficando los resultados, es posible construir un diagrama T-P con múltiples líneas de entalpía constante. Algunas líneas de entalpía constante pasan por un punto de pendiente cero o coeficiente de Joule-Thomson cero. La línea que pasa por estos puntos se denomina línea de inversión. La temperatura del punto en el que la línea de inversión intersecta la línea de entalpía constante se denomina temperatura de inversión. La temperatura máxima de inversión corresponde a la intersección superior de la línea de inversión con P=0. Valores y signos del coeficiente de Joule-Thomson En la ecuación (2) se puede observa que el signo de μ dependerá de los signos y de los valores que toman las cantidades y El signo de es generalmente negativo y su valor aproximadamente independiente de la presión. El término a temperaturas ordinarias, es negativo a presiones bajas (excepto el hidrógeno y el helio) y positivo a presiones elevadas. Como a presiones bajas los dos términos son negativos, μ siendo Cp siempre positivo, el coeficiente de Joule-Thomson, μ será positivo, ecuación (2). A presiones bajas será entonces positivo el signo de Ecuación (1) esto significa que la mayor parte de los gases, (excepto hidrógeno y helio) experimentan un descenso de temperatura cuando sufren una expansión a través de un estrangulamiento, a presiones bajas. A medida que se eleva la presión, el valor de se mantiene aproximadamente constante (negativo), pero el valor de disminuye en valor absoluto y a cierta presión se hace positivo, y aumenta en valor absoluto. Esto significa que a una presión suficientemente elevada, el coeficiente de Joule-Thomson tomará el valor cero y luego se hará positivo, o sea que se producirá la inversión del efecto Joule-Thomson y en estas condiciones, como μ es negativo, la expansión del gas a través del estrangulamiento se producirá con aumento de temperatura. La temperatura a la cual el coeficiente de Joule-Thomson cambia de signo, a una presión dada, se denomina temperatura de inversión. A la temperatura de inversión, el valor de μ debe ser cero. Cuando un gas, como diferenciarse de un gas ideal, se expande en entalpía constante (es decir, sin el calor se transfiere desde o hacia el gas, y no se extrae el trabajo externo), el gas se calienta o enfría, ya sea por la expansión. That change in gas temperature with the change in pressure is called the Joule-Thomson coefficient and is denoted by µ, defined as: Ese cambio en la temperatura del gas con el cambio de presión se llama el coeficiente de Joule-Thomson y se denota por μ, se define como: µ = (dT/dP) at constant enthalpy μ = (dT / dP) en constante entalpía The value of u depends on the specific gas, as well as the temperature and pressure of the gas before expansion. El valor de u depende de la de gas, así como la temperatura y la presión del gas antes de la expansión. For all real gases, µ will equal zero at some point called the
inversion point
. Para todos los gases reales, μ será igual a cero en algún momento el llamado
punto de inversión
. If the gas temperature is below its inversion point temperature, µ is positive ... Si la temperatura del gas está por debajo de su punto de inversión de temperatura, μ es positivo... and if the gas temperature is above its inversion point temperature, µ is negative. y si la temperatura del gas está por encima de su punto de inversión de la temperatura, la μ es negativo. Also, dP is always negative when a gas expands. Además, dP es siempre negativa, cuando un gas se expande. Thus: Así: If the gas temperature is below its inversion temperature:Si la temperatura del gas es la temperatura por debajo de su inversión: -- µ is positive and dP is always negative - Μ es positivo y es siempre negativo dP -- hence, the gas cools since dT must be negative - Por lo tanto, el gas se enfría desde dT debe ser negativo If the gas temperature is above its inversion temperature:Si la temperatura del gas es la temperatura por encima de su inversión: -- µ is negative and dP is always negative - Μ es negativo y es siempre negativo dP -- hence, the gas heats since dT must be positive - Por lo tanto, el gas se calienta desde dT debe ser positivo
Perry's Chemical Engineers' Handbook
provides tabulations of µ versus temperature and pressure for a number of gases, as do many other reference books.
Perry's Ingenieros Químicos
Manual
proporciona las tabulaciones de μ frente a la temperatura y la presión para una serie de gases, al igual que muchos otros libros de referencia. For most gases at atmospheric pressure, the inversion temperature is fairly high (above room temperature), and so most gases at those temperature and pressure conditions are cooled by isenthalpic expansion. Para la mayoría de los gases a presión atmosférica, la inversión de temperatura es bastante alta (por encima de la temperatura ambiente), y así que la mayoría de los gases en las condiciones de presión y temperatura se enfrían por isenthalpic expansión. Helium and hydrogen are two gases whose Joule-Thomson inversion temperatures at atmospheric pressure are very low (eg, about −222 °C for helium).Helio y el hidrógeno son dos gases cuyas Joule-Thomson inversión a presión atmosférica, temperaturas son muy bajas (por ejemplo, alrededor de -222 ° C para el helio). Thus, helium and hydrogen will warm when expanded at constant enthalpy at atmospheric pressure and typical room temperatures. Por lo tanto, el helio y el hidrógeno se calienten cuando se expandió a entalpía constante a la presión atmosférica y temperatura ambiente típico. It should be noted that µ is always equal to zero for ideal gases (ie, they will neither heat nor cool upon being expanded at constant enthalpyCabe señalar que μ es siempre igual a cero para los gases ideales (es decir, que ni frío ni calor al ser ampliado a entalpía constante). By contrast, when external work is extracted during the expansion of a gas (as when a high-pressure gas is expanded through a turboexpander), the expansion is isentropic (ie, occurs at constant entropy) rather than isenthalpic as in a Joule-Thomson expansionPor el contrario, cuando el trabajo externo se extrae durante la expansión de un gas (como cuando un gas de alta presión se expande a través de un turboexpansor), la expansión es isentrópica (es decir, se produce en constante entropía), en lugar de uno como en isentalpica Joule-Thomson expansión. For an isentropic gas expansion, the gas temperature always cools and the temperature drop is more than would be achieved by an isenthalpic Joule-Thomson expansion. Isentrópica para una expansión del gas, la temperatura del gas siempre se enfría y la temperatura es más baja que la que se lograría con una isentalpica expansión Joule-Thomson. PROCESO DE ESTRANGULACION Cuando un fluido se expande desde una región de alta presión hasta otra de baja presión generalmente se hace trabajo, o se 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. El proceso de estrangulamiento obedece a la ecuación denominada expansión de Joule - Thomson (h1 = h2). VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTO Una válvula de estrangulamiento es simplemente una restricción al flujo, si bien se reduce la presión, no realiza trabajo y por lo general 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. La selección de la válvula adecuada para una aplicación se facilita si primero se estudian los cuatro tipos básicos de válvulas de control de estrangulación: válvulas de globo con jaula, válvulas de bola, de disco excéntrico y de mariposa. Las válvulas de bola han sido casi de uso universal, pero la válvula moderna con jaula ha desplazado casi por completo a la de globo con guías superior e inferior y con orificio sencillo o doble, se destacan por su facilidad de cambiar de guarnición, que son el macho, jaula y anillo de asiento separado. La válvula de globo, disponible en tamaños de hasta l6 plg. se fabrica con la mayor parte de aleaciones que se puedan vaciar. Tiene ciertas limitaciones: 1) en su tamaño general a l6 plg. 2) menor capacidad comparada con una válvula de vástago visible de igual tamaño. 3) mayor costo en especial la de tamaños grandes. Hay diversos tipos de válvulas de bola para estrangulación. Además de la bola estándar las hay unas que emplean bola parcial. En otro diseco que es una combinación de válvula de bola con una de mariposa de alto rendimiento, un disco gira desde la posición cerrada hasta una en la que se descubre el conducto para el flujo. Las válvulas de bola se denominan de alta recuperación lo cual significa que la presión en la salida se recupera hasta un valor cercano del de entrada, requieren menor caída de presión para permitir un mayor volumen de flujo. Otro tipo de válvula es el de mariposa de alto rendimiento que tiene un disco con su eje descentrado desde la línea de centros de la válvula; con ello se tiene movimiento excéntrico del disco cuando abre o cierra la válvula. Una característica importante es que el disco solo hace contacto con el asiento en unos cuantos grados de rotación durante el cierre, esto reduce el gasto del sello y evita su deformación permanente, además como el sello no tiene rozamiento durante la estrangulación hay baja fricción y requiere menor torsión para su accionamiento. La válvula de mariposa de disco excéntrico igual que la de bola, tiene asientos de elastomero o de metal. Aplicación del efecto de Joule-Thomson Hemos visto que cuando un gas sufre una expansión a través de un obstáculo o estrangulamiento, a presiones y temperaturas adecuadas, se produce una disminución de su temperatura. Como se cumple que cuanto más baja es la temperatura, el término es de mayor valor absoluto y negativo el coeficiente de Joule-Thomson tendrá los valores positivos más altos, a temperatura bajas. Como consecuencia de ello, el enfriamiento por efecto de Joule-Thomson será más pronunciado a temperaturas bajas y presiones bajas. Este comportamiento se aplica en la industria para licuar un gas, por ejemplo, el aire. Para ello primero se enfría el gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática, y luego se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. La disminución de presión y el descenso de temperatura provocado por este efecto, produce la licuación del gas. El efecto Joule-Thomson tiene su campo de aplicación en la producción de gases licuados a muy baja temperatura. La mayoría de los sistemas de refrigeración se basan directa o indirectamente en el efecto Venturi combinado con el de Joule-Thomson. Los ventiladores del PC, la refrigeración líquida, el aire acondicionado del coche, la forma de los disipadores de calor, las alas de los aviones, las altas velocidades de un Fórmula 1 y el difusor de un motor. -121285100965 Actualmente el aire acondicionado juega un rol importante, muchos productos y servicios vitales en nuestra sociedad dependen del control del clima interno, como las salas de cirugía, laboratorios de investigación, la electrónica de alta tecnología (microprocesadores, circuitos integrados), muchos procesos de fabricación no podrían ser producidos. Refrigerador Kelvinator El ingeniero Nathanel B. Walles en 1914, fue el primero en construir un sistema de refrigeración de productos alimenticios para utilización en los hogares. Después de desarrollar varios modelos Edmun J. Copeland y Arnol H. Goos fundaron en 1916 la empresa Electro-Automatic Refrigerating Company, Inc. y unos meses después de su fundación y en reconocimiento a los méritos y contribuciones realizadas en honor a William Thomson, quien fue uno de los investigadores que fijó los principios de la refrigeración a través del Efecto Joule-Thomson, el nombre de la misma fue cambiado a Kelvinator Company. Actualmente se encuentra integrada dentro de la compañía The Electrolux Group. 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