Effetto Joule-Thomson
In fisica , l' effetto Joule-Thomson , chiamato anche effetto Joule-Kelvin , è un fenomeno in cui la temperatura di un gas diminuisce quando quel gas subisce un'espansione adiabatica .
L'effetto prende il nome dai fisici James Prescott Joule e William Thomson (Lord Kelvin) . Quest'ultimo stabilì l'esistenza di questo effetto nel 1852 continuando il lavoro di Joule sull'espansione del Joule , durante il quale un gas subisce un'espansione a entalpia costante.
Descrizione del fenomeno
In un gas, la relazione tra temperatura , pressione e volume è descritta dalle leggi dei gas, la più nota delle quali è la legge dei gas ideali . Quando il volume del gas aumenta (il gas subisce un'espansione), le leggi dei gas determinano in particolare l'evoluzione della sua temperatura e della sua pressione. In generale, quando un gas subisce un'espansione adiabatica , la sua temperatura può aumentare o diminuire, a seconda delle condizioni di temperatura e pressione iniziali. Per una data pressione, un gas ha una temperatura di inversione di Joule-Thomson , al di sopra della quale l'espansione provocherà un aumento della temperatura, e al di sotto della quale provocherà una diminuzione della temperatura del gas. Per la maggior parte dei gas in prossimità della pressione atmosferica , questa temperatura di inversione di Joule-Thomson è relativamente alta (significativamente più alta della temperatura ambiente) e il gas può quindi essere raffreddato sotto l'effetto dell'espansione.
Durante un'espansione, il rapporto tra la variazione di temperatura ΔT e la variazione di pressione ΔP è chiamato coefficiente di Joule-Thomson μ :
La temperatura di inversione di Joule-Thomson è la temperatura per la quale il coefficiente μ cambia di segno.
Meccanismo fisico
L'effetto Joule-Thomson è interamente correlato alla differenza tra un gas reale e un gas ideale dal punto di vista delle forze intermolecolari, in particolare l'attrazione e la repulsione delle forze di Van der Waals .
Man mano che un gas si espande, la distanza media tra le molecole aumenta. A causa dell'attrazione delle forze intermolecolari, l'espansione genera un aumento dell'energia potenziale delle interazioni gassose microscopiche. Considerando che non c'è lavoro estratto dal processo e nessun calore trasferito, la quantità totale di energia nel gas rimane la stessa per la conservazione dell'energia . L'aumento dell'energia potenziale microscopica implica quindi una diminuzione dell'energia cinetica microscopica e, di fatto, della temperatura .
Entra in gioco un secondo meccanismo che si oppone a questo: durante le collisioni di atomi o molecole all'interno di un gas, l'energia cinetica viene temporaneamente trasformata in energia potenziale (questa è la repulsione delle forze intermolecolari). Tuttavia, una diminuzione della densità del gas (durante l'espansione) porta ad una diminuzione del numero di collisioni per unità di tempo, quindi una diminuzione dell'energia potenziale, che per la conservazione dell'energia porta ad un aumento dell'energia cinetica e quindi temperatura.
Gli unici tre gas per i quali il secondo meccanismo predomina durante l'espansione adiabatica a pressione atmosferica sono l' idrogeno , il neon e l' elio , le cui temperature di inversione di Joule-Thomson alla pressione atmosferica sono intorno a 202 K ( −71 ° C ), 260 K ( −13 ° C ) e 40 K ( −233 ° C ) rispettivamente.
Applicazioni
L'effetto Joule-Thomson viene utilizzato nel processo Linde . Questo è un processo standard nell'industria petrolchimica, dove il raffreddamento causato durante l'espansione viene utilizzato per liquefare un gas (ad esempio per produrre ossigeno o azoto liquido).
Vedi anche
Riferimento
- (in) Philippe Lebrun, " An Introduction to Cryogenics " , Rapporto dipartimentale del CERN ,gennaio 2007, Pagina 17 ( leggi in linea ).
Bibliografia
- Zemansky, MW (1968) Heat and Thermodynamics , McGraw-Hill. , p. 182, 335
- Schroeder, Daniel V. (2000) Thermal Physics , Addison Wesley Longman. , p. 142