Coeficiente de Joule-Thomson o Joule-Kelvin

En física, el efecto de Joule Thomson es el proceso de expansión o

compresión de un sistema en función a la variación de su temperatura,

con entalpía constante. Descrito por James Prescott y William

Thomson, en 1852, quienes modificaron un trabajo realizado

anteriormente por Joule, que consistía en el que un gas se expandía

manteniendo constante su energía interna

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.

Consecuentemente, la interacción térmica es nula o despreciable. El flujo del fluido se ajusta a las condiciones de estado estacionario. Además, los cambios en energía cinética y potencial de la corriente fluida entre 1 y 2, pueden también considerarse despreciables. Por lo que aplicando el primer principio para sistemas abiertos, se obtiene:

$$h_1=h_2$$

Como ya mencionamos en la aplicación del primer principio a sistemas abiertos, los procesos en los que la entalpia de entrada es igual a la entalpia de salida, se denominan procesos de estrangulación. El efecto de estrangulación tiene un gran número dé aplicaciones tanto desde el punto de vista, técnico como teórico, a este tipo de experiencias también se les denomina efecto Joule-Thomson o Joule-Kelvin.

El efecto Joule-Kelvin tiene gran importancia, fundamentalmente, por dos hechos:

1. Se pueden referir a él otras propiedades termodinámicas, que pueden evaluarse a partir de este efecto, como: volúmenes específicos, calores específicos y temperaturas.
2. 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.

Algunos ejemplos como:

El metano a 100oC [212oF], el punto de inversión ocurre a alrededor de 500 atmósferas [7350 psi]. La magnitud del cambio de temperatura con la presión depende del coeficiente de Joule-Thomson para un gas en particular. El efecto Joule-Thomson causa con frecuencia una disminución de la temperatura a medida que el gas fluye a través de los poros de un yacimiento hacia el pozo.

Los calentadores de circulación eléctricos son ampliamente utilizados para el calentamiento de gas natural en una variedad de aplicaciones industriales. Éstas incluyen:

1.       Hervir el gas natural en estado gaseoso a partir del gas natural en estado líquido (LNG – por sus siglas en inglés) desde el tanque de almacenamiento;

2.       Calentamiento del gas natural que es introducido en un reformador de vapor-metano, para proporcionar la energía requerida para la reacción reformadora endotérmica;

3.       Calentamiento del gas natural utilizado como gas de sello en los procesos petroquímicos criogénicos;

4.       Precalentamiento del gas natural antes de su reducción por presión (aceleración) para sobrellevar la reducción de temperatura que resulta del efecto de Joule-Thomson.