Efecte Joule-Thomson

Asfixia d'un gas ideal en el diagrama temperatura-entropía.

En física, el efecte de Joule-Thomson o efecte Joule-Kelvin és el procés en el qual la temperatura d'un sistema disminuïx o aumenta en permetre que el sistema s'expandixca lliurement mantenint la cantitat d'energia que un sistema intercanvia

Descripció

La relació entre temperatura, pressió i volum d'un gas es pot descriure d'una forma senzilla gràcies a les lleis dels gasos. Quan el volum aumenta durant un procés irreversible, les lleis dels gasos no poden determinar per sí soles qué ocorre en la temperatura i pressió del gas. En general, quan un gas s'expandix adiabáticament, la temperatura pot aumentar o disminuir, depenent de la pressió i temperatura inicial. Per a una pressió constant (fixada prèviament), un gas tindrà una temperatura d'inversió de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la qual en comprimir-se el gas causa un aument de temperatura, i per un atre costat, l'expansió del gas causa un refredat. En la majoria dels gasos, a pressió atmosfèrica esta temperatura és prou alta, molt major que la temperatura ambiental, i per això la majoria dels gasos es gelen en expandir-se. L'increment de temperatura (ΔT) sobre l'increment de pressió (Δp) en un procés de Joule-Thomson és el coeficient de Joule-Thomson.

$\mu =\frac{\Delta T}{\Delta p}$

Esta expressió es pot trobar també escrita de la següent forma:

${\mu }_{JT}={\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)}_H$

El valor de ${\mu }_{JT}$ depén del gas específic, tant com la temperatura i la pressió del gas abans de l'expansió o compressió. Per a gasos reals açò serà igual a zero en un mateix punt cridat punt d'inversió i la temperatura d'inversió Joule-Thomson és aquella a on el signe del coeficient canvia.

Efecte Joule-Thomson negatiu

Una notable excepció de la regla de que la temperatura s'incrementa en l'expansió del gas és el heli, la temperatura del qual d'inversió Joule-Thomson a una atmòsfera és de 40 K (−233 °C). L'atre únic gas que es calfa durant l'expansió en condicions normals és l'hidrogen. La raó física darrere d'açò és la següent. Durant les colisions, l'energia cinètica és convertida en energia potencial temporalment. Açò significa que una caiguda en la densitat significa una caiguda en el número de colisions per unitat de temps, i per lo tant, una disminució de l'energia potencial, que per la conservació de l'energia a la seua volta conduïx a un aument de l'energia cinètica, i per lo tant, de la temperatura. En el cas de l'hidrogen i de l'heli, la conversió d'energia potencial en energia cinètica supera en créixens l'aument d'energia potencial per les forces electromagnètiques.

La temperatura d'inversió Joule-Thomson és la temperatura en la que el coeficient canvia de signe.