Cociente de Joule-Thompson (Experimento de Joule-Thompson)

  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.

a.     Se pueden referir a él otras propiedades termodinámicas, que pueden evaluarse a partir de este efecto, como: volúmenes específicos, calores específicos y temperaturas.

b.     El resultado de la estrangulación, en ciertas condiciones, es una reducción en la temperatura del fluido, de forma que podemos tener un enfriamiento mediante un sistema sin partes móviles. De hecho, bajo condiciones adecuadas, es posible que uno o más componentes de una corriente fluida pase a la fase líquida durante el proceso de estrangulación, de forma que puede utilizarse el sistema para proceder a la separación de componentes de una mezcla gaseosa.

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:

   (36)

Como H=U + P.V la expresión puede también tomar la forma:

   (37)

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:

Cambio de entalpia para un proceso

     La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción.

Definida como «el flujo de calor en los procesos químicos efectuados a presión constante cuando el único trabajo es de presión-volumen»,​ es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

L

Procesos Químicos y Postulados de la Energía Cinética

Autores: Maria Galindez, Karina Aleuy, Kharelys Urdaneta.

                                                 Definición procesos químicos

    Los procesos químicos son operaciones que derivan en la modificación de una sustancia, ya sea a partir de un cambio de estado, de composición o de otras condiciones. Estos procesos implican el desarrollo de reacciones químicas.

   Asimismo, pueden ilustrarse generalmente como diagramas de flujo de bloque o en más detalle como diagramas de flujo de proceso. Diagramas de flujo de bloques muestran las unidades como bloques y las corrientes que fluyen entre ellos como la conexión de líneas con puntas de flecha para mostrar la dirección del flujo.

    Sin embargo, transforman materias primas en productos útiles que generan beneficios a los colaboradores y dueños de las empresas y a la comunidad en general. Estos productos se emplean como bienes de consumo y como productos intermedios para modificaciones químicas y físicas en la elaboración de productos de consumo. Aproximadamente una cuarta parte de la producción total de sustancias químicas se utiliza en la manufactura de otras, de modo que la industria química es la mejor cliente de sí misma.

v  Procesos químicos con cambio de Fase

En la física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios  estados de agregación  sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres  estados más estudiados y comunes en la tierra son  el solido, el liquido y el gaseoso, no  obstante, el estado  de agregación mas común en nuestro universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si es descartada la materia oscura).

·         La fusión es una cambio de solido a liquido.

·         Por el contrario la solidificación o congelación  es el cambio inverso, de liquido a solido.

·         La vaporización es el cambio de líquido a gas.

·         Contrariamente la licuación o condensación es el cambio  inverso, de gas a líquido.

·         La sublimación es el cambió de estado de  solido a gas

·         El cambio inverso de la sublimación recibe es nombre de  sublimación regresiva o cristalización.

·         La ionización es el cambio de estado de un gas o plasma

·         El caso contrario a la ionización se conoce como des-ionización.

Ejemplos:

Cuando se quema troncos para hacer una fogata, se produce un cambio químico, esto se debe a que la madera de los troncos se convierte en cenizas y, a su vez, libera algunos gases como dióxido de carbono.

Cuando ponemos un pedazo de papel a fuego y este se quema, y se convierte en cenizas, también hay un cambio químico.

La cocción de una torta es un cambio químico con cambio de fase puesto que al momento de estar la torta lista nunca podrá regresar a su estado original (mezcla liquida).

  Procesos químicos sin cambio de fase:

Un proceso químico sin cambio de fase es  un conjunto de operaciones  químicas encaminadas a la transformación de unas sustancias iniciales en productos finales distintos, sin alterar su fase  o estado inicial. El producto será diferente de otro cuando tenga distinta composición, o hayan cambiado sus condiciones.

Ejemplo:

La fotosíntesis es un ejemplo. En la fotosíntesis, la energía solar se  transforma en energía química en un proceso que convierte al agua y al dióxido de carbono en glucosa, y se libera el oxígeno como subproducto, en dicho proceso solo existe transformación  de sustancias en iniciales en producto final pero sin alterar su fase o estado inicial.

  Postulados de la Energía cinética:

La teoría cinética molecular consta de cinco postulados que describen el comportamiento de las moléculas en un gas. Estos postulados se basan en algunas nociones físicas y químicas muy simples y básicas, aunque también involucran algunas suposiciones con el fin de simplificar los postulados.Estos son los principales postulados de la teoría cinética molecular:

Un gas consiste en un conjunto de pequeñas partículas que se trasladan con movimiento rectilíneo y obedecen las leyes de Newton.

v  Las moléculas de un gas no ocupan volumen.

v  Los choques entre las moléculas son perfectamente elásticos (esto quiere decir que no se gana ni se pierda energía durante el choque).

v  No existen fuerzas de atracción ni de repulsión entre las moléculas.

v  El promedio de energía cinética de una molécula es de 3kT/2 (siendo T la temperatura absoluta y k la constante de Boltzmann).

Según el modelo cinético molecular que se toma como válido hoy en día, como decíamos, todo material que vemos está formado por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Estas moléculas están en movimiento continuo y se encuentran unidas por la fuerza de cohesión que existe entre moléculas de una misma materia. Entre una y otra hay un espacio vacío, ya que están en continuo movimiento.

Cuando las moléculas están muy juntas y se mueven en una posición fija, las fuerzas de cohesión son muy grandes. Es el estado sólido de la materia. En cambio cuando están algo más separadas y la fuerza de cohesión es menor, lo que les permite cambiar de posición libremente de forma independiente, estamos en presencia de un líquido.

En el estado gaseoso, las moléculas están totalmente separadas unas de otras y se mueven libremente. Aquí no existe fuerza de cohesión.

La energía de la materia, su fuerza de cohesión y el movimiento de las moléculas dependen de la temperatura. Es por eso que podemos lograr pasar una materia del estado líquido al gaseoso y del sólido al líquido, si aplicamos la cantidad de energía necesaria en forma de temperatura.

Esta teoría también describe el comportamiento y las propiedades de los gases. Todos los gases están formados por moléculas que se encuentran en movimiento continuo. Es un movimiento rápido, rectilíneo y aleatorio. Las moléculas de los gases están muy separadas entre sí y no ejercen fuerzas sobre otras moléculas, a excepción de cuando se produce una colisión.

Las propiedades de los gases se describen en términos de presión, volumen, temperatura y número de moléculas. Estos son los parámetros que se usan para definir a los gases.