PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PROPIEDADES DE LA ENTALPIA

(EXPERIMENTO DE JOULE-THOMPSON)

Consideremos la dependencia de la entalpía de un sistema cerrado, de variables de estado como la temperatura y la presión:

H = f (T, P)

Se puede escribir la diferencial total de la entalpía, como:

el primer término: es igual a la capacidad calorífica a presión constante, Cp. Entonces:

respecto al segundo término

  • para el Gas Ideal tiene un valor de cero, es decir, que la entalpía es sólo función de la temperatura.

  • para Gases reales, la variación de la entalpía respecto a la presión es pequeña, pero puede medirse, por ejemplo, mediante el experimento de Joule y Thompson (Lord Kelvin).

Experimento de expansión de Joule-Thompson (expansión adiabática)

Explicación:

  • como el tubo está aislado, Q = 0, entonces se trata de una expansión adiabática.

  • el trabajo realizado por el gas es:

W = P2V2 - P1V1

de la primera Ley de la termodinámica: DE = E2 - E1 = - W = - (P2V2 - P1V1)

reordenando: E2 + P2V2 = E1 + P1V1

es decir: H2 = H1 la entalpía del gas es constante.

  • la disminución de temperatura medida - DT y de presión - DP se combinan en la razón:

el coeficiente de Joule-Thompson se define como el límite de esta razón, cuando DP tiende a cero.

puede expresarse como el cambio de temperatura por variación de la presión a entalpía constante.

  • el coeficiente de Joule-Thompson es positivo para todos los gases a temperaturas menores o iguales a la temperatura ambiente, excepto para el hidrógeno y el helio. Esto quiere decir, que la mayoría de los gases se enfrían cuando se expanden adiabáticamente. Entre mayor sea la diferencia de presiones, mayor será la caída de temperatura.

  • Todo gas tiene una temperatura sobre la cual el coeficiente de Joule Thompson es negativo, la Temperatura de inversión Joule-Thompson. Sin embargo, las temperaturas de inversión para la mayoría de los gases son mucho más altas que la temperatura ambiente.

Ejemplos de expansiones adiabáticas:

  • Al abrir una válvula de un extinguidor de incendios, la evaporación del CO2 provoca un enfriamiento que condensa la humedad del aire, formando una fina capa de nieve.

  • El aire fue licuado por primera vez en 1895 por el método de Linde. En este procedimiento el gas se comprime con una bomba (aproximadamente a 200 atm) y se hace pasar por un serpentín que es enfriado por un líquido refrigerante. Posteriormente pasa por otro serpentín para mayor enfriamiento y finalmente, por una válvula donde se expande a presión atmosférica. Esta expansión produce un marcado enfriamiento, haciendo que una fracción del gas se condense y caiga al fondo de un recipiente aislado y, otra parte rodee al serpentín enfriándolo aún más.

Este proceso es de interés histórico, debido a que resulta muy ineficiente. Se han desarrollado otros procesos que aprovechan parte del gas comprimido para ayudar a trabajar a la bomba.

El funcionamiento del refrigerador casero, se basa en un ciclo de compresión - expansión de un líquido refrigerante (amoníaco, freones, etc.).

 

El líquido se comprime mediante la bomba (B), lo que provoca que el gas se caliente, éste disipa el calor y se condensa a una presión alta. El líquido presurizado pasa a través de la válvula (C) y se expande a baja presión, por lo que se vaporiza y se enfría, lo que mantiene a baja temperatura el interior del refrigerador. La bomba succiona el gas frío que está a baja presión, repitiendo el ciclo.

  • La formación de nubes y la nieve en las cumbres de las montañas, se deben a la expansión adiabática de las corrientes de aire caliente que ascienden a las regiones de baja presión atmosférica.

  • Las estelas que dejan los aviones en el cielo, se deben a la expansión adiabática de los gases que expelen por los escapes, enfriándose y provocando la condensando la humedad del aire.

 

El coeficiente de Joule-Thompson, tiene aplicación para estimar la variación de la entalpía en función de la presión.

Como dH = 0, se tiene:

dividiendo entre dP:

introduciendo el coeficiente de Joule-Thompson y reordenando:

Esta última ecuación permite calcular la variación de la entalpía con respecto a la presión, determinando experimentalmente los valores de Cp y μJT.

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