Efecto Joule-Thomson
En termodinámica , el efecto Joule-Thomson (también conocido como efecto Joule-Kelvin o efecto Kelvin-Joule ) describe el cambio de temperatura de un gas o líquido real (diferenciado de un gas ideal ) cuando es forzado a través de una válvula o poroso. enchufe mientras lo mantiene aislado para que no se intercambie calor con el medio ambiente. [1] [2] [3] Este procedimiento se denomina proceso de aceleración o proceso de Joule-Thomson . [4]A temperatura ambiente, todos los gases, excepto el hidrógeno , el helio y el neón, se enfrían al expandirse mediante el proceso de Joule-Thomson cuando se estrangulan a través de un orificio; estos tres gases experimentan el mismo efecto pero solo a temperaturas más bajas. [5] [6] La mayoría de los líquidos, como los aceites hidráulicos , se calentarán mediante el proceso de estrangulamiento de Joule-Thomson.
El proceso de estrangulamiento por enfriamiento de gas se utiliza comúnmente en procesos de refrigeración como los licuadores . [7] [8] En hidráulica, el efecto de calentamiento del estrangulamiento de Joule-Thomson se puede utilizar para encontrar válvulas con fugas internas, ya que estas producirán calor que puede ser detectado por un termopar o una cámara termográfica . El estrangulamiento es un proceso fundamentalmente irreversible . El estrangulamiento debido a la resistencia al flujo en las líneas de suministro, intercambiadores de calor, regeneradores y otros componentes de las máquinas (térmicas) es una fuente de pérdidas que limita su rendimiento.
El efecto lleva el nombre de James Prescott Joule y William Thomson, primer barón Kelvin , quienes lo descubrieron en 1852. Siguió a un trabajo anterior de Joule sobre la expansión de Joule , en el que un gas experimenta expansión libre en el vacío y la temperatura no cambia, si el gas es ideal .
La expansión adiabática (sin intercambio de calor) de un gas puede llevarse a cabo de varias formas. El cambio de temperatura que experimenta el gas durante la expansión depende no solo de la presión inicial y final, sino también de la forma en que se lleva a cabo la expansión.
El cambio de temperatura producido durante una expansión Joule-Thomson se cuantifica por el coeficiente de Joule-Thomson , . Este coeficiente puede ser positivo (correspondiente a enfriamiento) o negativo (calentamiento); las regiones donde cada uno ocurre para el nitrógeno molecular, N 2 , se muestran en la figura. Tenga en cuenta que la mayoría de las condiciones en la figura corresponden a que el N 2 es un fluido supercrítico , donde tiene algunas propiedades de un gas y algunas de un líquido, pero no puede describirse realmente como tampoco. El coeficiente es negativo tanto a temperaturas muy altas como muy bajas; a muy alta presión es negativo a todas las temperaturas. La temperatura máxima de inversión (621 K para N 2 [10]) ocurre cuando se acerca la presión cero. Para el gas N 2 a bajas presiones, es negativo a altas temperaturas y positivo a bajas temperaturas. A temperaturas por debajo de la curva de coexistencia gas-líquido , el N 2 se condensa para formar un líquido y el coeficiente vuelve a ser negativo. Por lo tanto, para N 2 gaseoso por debajo de 621 K, se puede usar una expansión de Joule-Thomson para enfriar el gas hasta que se forme N 2 líquido .
