Efeito Joule-Thomson
Na física , o efeito Joule-Thomson , também chamado de efeito Joule-Kelvin , é um fenômeno no qual a temperatura de um gás diminui quando esse gás sofre expansão adiabática .
O efeito foi nomeado em homenagem aos físicos James Prescott Joule e William Thomson (Lord Kelvin) . Este último estabeleceu a existência desse efeito em 1852 , continuando o trabalho de Joule na expansão de Joule , durante a qual um gás sofre expansão em entalpia constante.
Descrição do fenômeno
Em um gás, a relação entre temperatura , pressão e volume é descrita pelas leis dos gases, a mais conhecida das quais é a lei dos gases ideais . Quando o volume do gás aumenta (o gás sofre uma expansão), as leis dos gases determinam em particular a evolução de sua temperatura e de sua pressão. Em geral, quando um gás sofre expansão adiabática , sua temperatura pode aumentar ou diminuir, dependendo das condições iniciais de temperatura e pressão. Para uma dada pressão, um gás tem uma temperatura de inversão Joule-Thomson , acima da qual a expansão causará um aumento na temperatura, e abaixo da qual causará uma diminuição na temperatura do gás. Para a maioria dos gases nas proximidades da pressão atmosférica , essa temperatura de inversão de Joule-Thomson é relativamente alta (significativamente mais alta que a temperatura ambiente), e o gás pode, portanto, ser resfriado sob o efeito da expansão.
Durante uma expansão, a razão entre a variação de temperatura ΔT e a variação de pressão ΔP é chamada de coeficiente de Joule-Thomson μ :
A temperatura de inversão de Joule-Thomson é a temperatura para a qual o coeficiente μ muda de sinal.
Mecanismo físico
O efeito Joule-Thomson está inteiramente relacionado à diferença entre um gás real e um gás ideal do ponto de vista das forças intermoleculares, incluindo a atração e repulsão das forças de Van der Waals .
À medida que um gás se expande, a distância média entre as moléculas aumenta. Devido à atração de forças intermoleculares, a expansão gera um aumento na energia potencial das interações gasosas microscópicas. Considerando que não há trabalho extraído do processo e não há transferência de calor , a quantidade total de energia no gás permanece a mesma devido à conservação de energia . O aumento na energia potencial microscópica, então, implica uma diminuição na energia cinética microscópica e, de fato, na temperatura .
Um segundo mecanismo que se opõe a este entra em ação: durante as colisões de átomos ou moléculas dentro de um gás, a energia cinética é temporariamente transformada em energia potencial (esta é a repulsão de forças intermoleculares). Porém, uma diminuição na densidade do gás (durante a expansão) leva a uma diminuição no número de colisões por unidade de tempo, portanto, uma diminuição da energia potencial, que devido à conservação de energia leva a um aumento da energia cinética e, portanto temperatura.
Os únicos três gases para os quais o segundo mecanismo predomina durante a expansão adiabática à pressão atmosférica são hidrogênio , néon e hélio , cujas temperaturas de inversão Joule-Thomson à pressão atmosférica estão em torno de 202 K ( −71 ° C ), 260 K ( −13 ° C ) e 40 K ( −233 ° C ), respectivamente.
Formulários
O efeito Joule-Thomson é usado no processo Linde . Este é um processo padrão na petroquímica, onde o resfriamento causado durante a expansão é usado para liquefazer um gás (por exemplo, para produzir oxigênio ou nitrogênio líquido).
Veja também
Referência
- (em) Philippe Lebrun, " An Introduction to Cryogenics " , Relatório Departamental do CERN ,janeiro de 2007, Página 17 ( ler online ).
Bibliografia
- Zemansky, MW (1968) Heat and Thermodynamics , McGraw-Hill. , p. 182, 335
- Schroeder, Daniel V. (2000) Física Térmica , Addison Wesley Longman. , p. 142