Efect Joule-Thomson

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În termodinamică , efectul Joule-Thomson , sau efectul Joule-Kelvin , este un fenomen prin care temperatura unui gaz real crește sau scade după o compresie sau expansiune efectuată la entalpie constantă, adică o transformare adiabatică din care nu este verificată nicio lucrare .

Efectul este numit astfel deoarece a fost observat pentru prima oară de James Prescott Joule și William Thomson , primul baron de Kelvin , în 1852 [1] în urma unei lucrări anterioare realizate de Joule asupra expansiunii Joule în care un gaz se extinde în timp ce menține energia internă constantă.

Descriere

Relația dintre temperatură, presiune și volumul unui gaz este descrisă într-un mod simplu prin legea gazelor . Când volumul crește printr-un proces ireversibil, legile gazelor nu determină în mod unic ce se întâmplă cu presiunea și temperatura gazului. O expansiune adiabatică reversibilă, în care gazul face o treabă pozitivă în timpul procesului de expansiune, creează în schimb invariabil o scădere a temperaturii.

Cu toate acestea, atunci când un gaz real (spre deosebire de ceea ce se întâmplă pentru un gaz ideal) se extinde liber la entalpia constantă, temperatura poate crește și scădea, în funcție de condițiile inițiale de presiune și temperatură. Pentru o presiune dată, un gaz real are o temperatură de inversiune Joule-Thomson (Kelvin): dacă expansiunea constantă a entalpiei are loc la o temperatură mai mare decât cea de inversare, există o creștere a temperaturii, la o temperatură mai mică decât cea de inversare, dimpotrivă, aceeași expansiune provoacă o răcire. Pentru majoritatea gazelor la presiune atmosferică , temperatura de inversare este destul de ridicată (mai mare decât temperatura ambiantă), deci majoritatea gazelor la astfel de condiții de temperatură și presiune sunt răcite prin expansiune izentalpică. Variabilitatea valorilor temperaturii de inversiune este legată de entitatea interacțiunilor moleculare existente în gazele reale.

Coeficientul Joule-Thomson (Kelvin)

Coeficientul Joule-Thomson pentru diferite gaze la presiunea atmosferică.

Coeficientul Joule-Thomson (Kelvin) este definit ca modificarea temperaturii în raport cu modificarea presiunii într-un proces Joule-Thomson: [2]

unde a și b sunt constantele Van der Waals , R constanta gazului universal și C p căldura specifică molară la presiune constantă.

Valoarea a depinde de gazul examinat, precum și de temperatura și presiunea gazului înainte de expansiune. Pentru toate gazele reale această valoare este egală cu 0 în punctul numit punctul de inversiune și, așa cum s-a explicat mai sus, temperatura de inversare Joule-Thomson (Kelvin) este temperatura la care se schimbă semnul coeficientului.

În orice expansiune, presiunea gazului scade și, prin urmare, semnul este întotdeauna negativ. Amintindu-ne, tabelul de mai jos explică schematic când efectul Joule-Thomson încălzește sau răcește un gaz real: [3]

Dacă punctul este asa de Și din moment ce Și asa de trebuie să fie de aici gazul
în interiorul curbei de inversiune pozitiv întotdeauna negativ negativ se raceste
în afara curbei de inversiune negativ întotdeauna negativ pozitiv se încălzește

Heliul , hidrogenul și neonul sunt gaze pentru care temperaturile de inversiune Joule-Thomson într-o atmosferă sunt foarte scăzute (de exemplu, pentru heliu este de aproximativ -222 ° C). Deci, aceste gaze se vor încălzi dacă vor fi extinse la o entalpie constantă la temperatura camerei.

Trebuie remarcat cum este întotdeauna zero în cazul gazelor ideale (adică gaze care nu se încălzesc sau se răcesc dacă sunt expandate la entalpie constantă).

Transformările cu entalpie constantă pot fi luate în considerare și pentru un sistem termodinamic generic, în acest caz: are loc o transformare reversibilă cu entalpie constantă astfel încât , dacă în această ecuație înlocuim expresia diferenței de entropie în termeni de presiune și temperatură:

Noi obținem:

și din moment ce:

Și

rezultă:

din care, explicând variația temperaturii pe unitate de variație a presiunii, obținem:

care exprimă coeficientul Joule Thomson în ceea ce privește căldura specifică la presiune constantă, temperatura și coeficientul de expansiune termică la presiune constantă. În special, din această expresie se poate deduce că fenomenul inversării temperaturii, adică temperatura la care temperatura este păstrată de-a lungul unei transformări, apare atunci când produsul temperaturii și coeficientul de expansiune termică la presiune constantă sunt egale cu 1.

Mecanismul fizic

Când un gaz se extinde, distanța medie dintre moleculele sale crește. Având în vedere prezența forțelor de atracție intermoleculare, expansiunea determină o creștere a energiei potențiale a gazului. Dacă nu se extrage niciun lucru din sistem în timpul procesului de expansiune („expansiune liberă”) și nu se transferă căldură , energia totală a gazului rămâne aceeași pentru conservarea energiei . Creșterea energiei potențiale produce, prin urmare, o scădere a energiei cinetice și, prin urmare, o scădere a temperaturii gazului.

Un alt mecanism are efecte opuse: în timpul coliziunilor dintre moleculele de gaz, energia cinetică este transformată temporar în energie potențială. Pe măsură ce distanța medie intermoleculară crește, există o scădere a numărului de coliziuni pe unitate de timp, ceea ce la rândul său determină o scădere a energiei potențiale medii. Deoarece energia totală este conservată, aceasta duce la o creștere a energiei cinetice (și, prin urmare, a temperaturii). În cadrul curbei de inversiune Joule-Thomson, primul efect (munca internă efectuată împotriva forțelor de atracție intermoleculare) domină și expansiunea liberă determină o scădere a temperaturii. În afara curbei de inversiune, domină al doilea efect (scăderea energiei potențiale asociate coliziunilor), expansiunea liberă determină o creștere a temperaturii.

Aplicații

Efectul Joule-Thomson în practică se obține în următoarele moduri:

  • Gazul real este lăsat să se extindă printr-o supapă care trebuie să fie foarte bine izolată pentru a preveni orice schimb de căldură către și de la gaz.
  • În timpul expansiunii nu trebuie să existe niciun lucru extras din gaz (de exemplu, gazul nu trebuie să se extindă printr-o turbină ).

Efectul este utilizat în procesul Linde ca proces standard în industria petrochimică, unde efectul de răcire este utilizat pentru lichefierea gazelor după succesiunea ciclurilor de compresie - refrigerare - expansiune rapidă . Efectul este utilizat și în multe aplicații criogenice (de exemplu, pentru producerea de oxigen , azot și argon lichid). Doar atunci când coeficientul Joule-Thomson pentru gazul tratat la temperatura de funcționare este mai mare decât zero, gazul poate fi lichefiat într-un ciclu Linde. Cu alte cuvinte, un gaz trebuie să fie sub temperatura sa de inversiune pentru a fi lichefiat: din acest motiv, condensatorii simpli ai ciclului Linde nu pot fi folosiți pentru lichefierea heliului, hidrogenului și neonului.

Notă

  1. ^ Silvestroni , p. 181 .
  2. ^ Silvestroni , p. 182 .
  3. ^ Silvestroni , p. 183 .

Bibliografie

  • Paolo Silvestroni, Fundamentals of chemistry , ed. A X-a, CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8 .
  • MW Zemansky, Heat and Thermodynamics , 1968, McGraw-Hill, pp. 182, 335.
  • Daniel V. Schroeder, Fizica termică , 2000, Addison Wesley Longman, p. 142.
  • C. Kittel, H. Kroemer, Fizica termică , 1980, WH Freeman and Co.
  • (EN) Robert Perry , Don W. Green, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VIII-a, McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85070735 · GND (DE) 4162781-7
Termodinamica Portalul Termodinamicii : accesați intrările Wikipedia care se referă la Termodinamică