Coeficiente de Joule-Thomson, Temperatura de Inversión y Aplicaciones

 COEFICIENTE DE JOULE-THOMSON 

     El efecto de Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin, es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente manteniendo la entalpía constante. El efecto depende del valor del coeficiente de Joule-Thomson, que es la tasa de cambio de la temperatura con respecto a la presión.

     Por otra parte, este proceso reversible en el cual un fluido se expande sin producirse trabajo ni cambios en su energía potencial y cinética, con la entalpía invariable se denomina estrangulamiento. Los dispositivos de estrangulamiento son elementos que restringen el flujo, lo cual causa una caída de presión importante en el fluido. Algunos dispositivos comunes son válvulas, tubos capilares, reducciones bruscas y tapones porosos (corchos).

     Entonces, cuando un fluido pasa por un obstáculo como un tapón poroso, un tubo capilar o una válvula ordinaria, disminuye su presión y la entalpía del fluido permanece aproximadamente constante durante tal proceso de estrangulamiento.

     El hecho de que un fluido pueda experimentar una reducción considerable de su temperatura durante esta fase, constituye la base de operación en los refrigeradores y en la mayor parte de los acondicionadores de aire. Sin embargo, esto no siempre sucede. La temperatura del fluido puede permanecer inalterable o es posible incluso que aumente.

     El comportamiento de la temperatura de un fluido durante un proceso de estrangulamiento (h=constante) está descrito por el coeficiente de Joule-Thomson, definido como:

Si el valor de μJT es menor a cero, la temperatura aumenta. Si es igual a cero, permanece constante. Por último, si es mayor, la temperatura disminuye.

     El valor de μJT se puede determinar mediante gráficas experimentales de procesos a entalpía constante, en un diagrama T-p, donde dicho coeficiente representa la pendiente de las líneas h=constante. Estos diagramas se construyen utilizando medidas de temperatura y presión tomadas durante el estrangulamiento.

     También, para diferentes pares de presión y temperatura, se grafican los resultados y se realiza otro diagrama T-P para una sustancia con varias líneas de h=constante.

     La línea que pasa por los puntos es la línea de inversión, y la temperatura en un punto donde la línea de entalpía constante interseca la línea de inversión se conoce como temperatura de inversión, de la cual se hablará en el siguiente punto.

     Adicionalmente, se tiene una relación general para el coeficiente de Joule-Thomson, en términos de calor específico, presión, volumen y temperatura.

Cuando se tiene h=constante, se tiene dh=0.

     En cuanto a sus aplicaciones, el efecto es una herramienta valiosa en refrigeración, se aplica también en la técnica Linde como un proceso estándar en la industria petroquímica donde se licúan gases, y en aplicaciones criogénicas; algunos ejemplos son producción de oxígeno líquido, nitrógeno y argón.

TEMPERATURA DE INVERSIÓN:

     Todo comportamiento real de un gas predice un punto de inversión en el cual el valor del coeficiente μ_JT cambia de signo. La temperatura a la cuál ocurre dicho cambio se denomina Temperatura de Inversión Joule-Thomson y su valor depende de la presión del gas justo antes de comenzar su expansión.

     En general, cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante (fijada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la cual al comprimirse el gas causa un aumento de temperatura, y, por otro lado, la expansión del gas causa un enfriamiento. En la mayoría de los gases, a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta, mucho mayor que la temperatura ambiental, y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. El incremento de temperatura (ΔT) con respecto al incremento de presión (Δp) en un proceso de Joule-Thomson es el coeficiente de Joule-Thomson.

APLICACIONES:

     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. Entonces podemos enunciar alguna de sus aplicaciones:

•  Usualmente el efecto Joule Thomson se logra al permitir a un gas su expansión a través de una válvula (por lo general aislada), no se obtiene trabajo del gas mediante ningún dispositivo (como una turbina).

• 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)

• También usado en proceso criogénicos (producción de oxígeno, nitrógeno y argón principalmente)