CALOR Y TERMODINAMICA ZEMANSKY PDF

En 10s cambios de fase de primer orden, 10s mejor conocidos, es decir, la fusion del hielo y la vaporizacihn de agua, las regiones de temperatura y presihn, son facilmente accesibles sin aparatos especiales. Sin embargo, algunas de las sustancias mas interesantes, tales como nitrhgeno, hidrogeno y helio, en cuyos cambios de fase siguen existiendo problemas no resueltos, deben observarse a bajas temperaturas. Por consiguiente, es importante saber como se alcanzan y mantienen estas bajas temperaturas. El primer paso consiste en licuar el aire, y el mod0 mas econhmico de realizarlo se obtiene utilizando el efecto Joule-Kelvin o experiment0 del tapon poroso, como se llamaba anteriormente. En esta experiencia un gas se somete a un proceso continuo de estrangulacihn. Por medio de una bomba se mantiene una presibn constante a un lado del taphn poroso, y otra presihn, tambien constante per0 mas baja, al otro lado.

Author:Shakazshura Akinohn
Country:Netherlands
Language:English (Spanish)
Genre:Software
Published (Last):17 July 2012
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En 10s cambios de fase de primer orden, 10s mejor conocidos, es decir, la fusion del hielo y la vaporizacihn de agua, las regiones de temperatura y presihn, son facilmente accesibles sin aparatos especiales. Sin embargo, algunas de las sustancias mas interesantes, tales como nitrhgeno, hidrogeno y helio, en cuyos cambios de fase siguen existiendo problemas no resueltos, deben observarse a bajas temperaturas.

Por consiguiente, es importante saber como se alcanzan y mantienen estas bajas temperaturas. El primer paso consiste en licuar el aire, y el mod0 mas econhmico de realizarlo se obtiene utilizando el efecto Joule-Kelvin o experiment0 del tapon poroso, como se llamaba anteriormente. En esta experiencia un gas se somete a un proceso continuo de estrangulacihn. Por medio de una bomba se mantiene una presibn constante a un lado del taphn poroso, y otra presihn, tambien constante per0 mas baja, al otro lado.

En 10s experimentos originales de Joule y Kelvin se utiliz6 un taphn de algodhn y el gas fluia a travks de kl paralelamente al eje del tubo. En las mediciones actuales se utiliza una copa de un material poroso resistente, capaz de soportar grandes esfuerzos, que permite el paso del gas a su traves en direccihn radial. Se toman rigurosas precauciones para conseguir un buen aislamiento tbmico para el taphn y la porcihn de tub0 prhxima a1 mismo.

La presihn y temperatura del gas a ambos lados del taphn se miden con manhmetros y termhmetros apropiados. Estados isoentilpicos de un gas. La experiencia se realiza del siguiente modo. Se eligen arbitrariamente la presion Pi y la temperatura T, del lado de alta presion. Se fija la presion del otro lado en un cierto valor PI menor que Pi y se mide la temperatura TI del gas. Esto se realiza para un cierto numero de valores distintos de PI, midiendo en cada caso la correspondiente T.

Aunque 10s puntos representados en la figura no se 1 refieren a un gas particular, son caracteristicos de la mayor parte de gases. Puede observarse que si entre 10s estados P i Ti y PI TI 3 tiene lugar un proceso de estrangulacion, se produce una elevation de temperatura.

En general, el cambio de temperatura de un gas a1 pasar por un tabique poroso depende de las tres magnitudes Pi, Ti y PI y puede ser un aumento, una disminucion o no producirse cambio alguno. De acuerdo con 10s principios desarrollados en la Seccion 9. Todos 10s estados d e equilibrio del gas correspondiente a esta entalpia deben estar situados sobre una curva determinada, y es razonable suponer que esta curva puede obtenerse dibujandola de mod0 que pase por estos puntos. Tal curva se denomina isoentalpica.

El lector debera compren- der que una curua isoentalpica no es la grafica de un proceso de estrangulacibn. Tal grafica no es posible dibujarla debido a que en cualquier proceso de estrangulacion 10s estados intermedios por 10s que pasa el gas no pueden definirse por medio de coordenadas termodinamicas. Una curva isoentilpica es el lugar de todos 10s puntos que representan estados de equilibrio de la misma entalpia. El experiment0 del tabique poroso se realiza para conseguir algunos de estos puntos, y 10s restantes se obtienen por interpolacion.

Cambiemos ahora la temperatura Ti del lado de alta presion, mantenien- do Pi constante. Variemos de nuevo PI, midiendo las correspondientes TI. De este mod0 se obtienen una serie de curvas isoentalpicas. En la Figura El valor numeric0 de la pendiente en un punto cualquiera de una isoentalpica sobre un diagrama TP se denomina coeficiente Joule-Kelvin y se designara por p.

Asi, El lugar de todos 10s puntos para 10s cuales el coeficiente Joule-Kelvin es nulo, es decir, el lugar de 10s maximos de las curvas isoentalpicas, se llama curva de inversidn y en la Figura La region interior de la curva de inversion, donde p es positivo, se denomina PrescOn. M P a Figura Isoentalpicas y e u v a s de inversibn para el nitrbgeno. Dado que en el coeficiente Joule-Kelvin intervienen T, P y h, tratemos de hallar una relacion entre sus diferenciales.

Para un gas ideal, evidentemente, La aplicacion mas importante del efecto Joule-Kelvin esta en la licuacion de gases. MPa Figura Isocntilpicas y curva de inversion para el hidrogeno necesario enfriamiento previo. Asi, si se comprime aire hasta una presi6n de atm y una temperatura de 52"C, a1 someterlo a un proceso de estrangulacion hasta una presion de 1 atm, se enfriara hasta 23 "C. La Figura Con este objeto se utiliza nitrogen0 liquido en la mayoria de laboratorios.

Para producir enfriamiento por efecto Joyle-Kelvin en el helio, se le enfria previamente con hidrogeno liquido.

La Tabla De las Figuras Ternperaturas de inversion rnaxirnas Tempecatura de mversicjn mixima. Partiendo de esta presi6n y finalizando a la presi6n atrnosferica se produce el rnaximo desceilso de temperatura. Sin embargo, kste no es sulicientemente grande para producir la licuacion. En consecuencia, el gas que se ha enfriado por estrangulacion se utiliza para enfriar el gas entrante que una vez experimenta la estrangulacion estari aun mas frio.

Tras rnuchas repeticiones de estos enfriamientos sucesivos, la temperatura del gas ha descendido de tal forma que, despuks de la estrangulacion, se licua parcialmente.

MPa 3 4 - Figura IsoentBlpicas y curvas de inversihn para el helio. Licuacion de un gas mediante el efecto Joule-Kelvin. El gas, desputs del enfriamiento previo, se envia a travts del tubo central de un largo serpentin construido con un tub0 de doble pared. Despues de la estrangulacion, pasa por el espacio anular exterior que rodea a1 tub0 central. Para que el cambiador de calor sea eficaz, la temperatura del gas a1 salir de 61 so10 ha de diferir ligeramente de su temperatura a la entrada.

Para conseguir esto, el cambiador de calor debera ser de gran longitud y estar bien aislado, y el gas ha de circular por t l con velocidad suficiente para que el rigimen sea turbulento, con el fin de que haya un buen contact0 termico entre ambas corrientes opuestas de gas.

Cuando, finalmente, se alcanza el estado estacionario, se forma liquido en proporcion constante: por cada unidad de masa degas suministrado se licua una cierta fraccion 11, volviendo a bombearse la fraccion 1 - y. Considerando solo el cambiador de calor y la vilvula de estrangulacion completamente aislados, como indica la Figura Vilvula de estrangula- 1 -y kg y kg de ci6n y cambiador de calor en estado degas liquido estacionario.

Por consiguiente, la fraccion y licuada solo puede variarse modificando hi. En el proyecto de una unidad de licuacion de gases resulta particularmen- te util un diagrama TS que muestre las idbaras y las isoentalpicas.

Por e;emplo, para calcular In fraccion licuada en estado estacionario, las tres entalpias hi,h, y h, pueden obtenerse directamente a partir del diagrama. Las Fizuras La utilizacion del efecto Joule-Kelvin para la licuacion de gases tiene dos ventajas: I No hay partes moviles a bajas temperaturas, lo cual dificultaria su lubrication.

Sin embargo, cuando se trata de licuar hidrogeno y helio, se plantea un serio inconveniente: el gran enfriamiento previo necesario. El hidrogeno debe ser preenfriado con nitrogen0 liquido. Una expansion adiabatica, aproximudamente reversible, contra un piston o contra el alabe de una turbina produce siempre un descenso de temperatu- ra, cualquiera que sea la temperatura inicial.

Pero este metodo tiene el in- conveniente de que el descenso de temperatura en la expansihn adiabbtica disminuye al bajar la temperatura. Se ha utilizado con exito una combinacion de ambos metodos. Asi se utiliza una expansion adiabatica reversible para conseguir una temperatura dentro de la curva de inversion, y luego, el efecto Joule-Kelvin completa la licuacion. Kapitza fue el primero en licuar helio de este modo.

Mas tarde licuo aire con ayuda de una turbina centrifuga solo un poco mayor que un reloj de bolsillo. El avance mas importante en el campo de la licuaci6n de gases lo constituye el licuador de helio de Collins, en el cual el helio experimenta una expansion adiabbtica en un motor alternativo.

El gas expandido se utiliza para enfriar el gas que entra en un cambiador de calor ordinario. Cuando la temperatura es suficientemente baja, el gas pasa a traves de una vilvula de estrangulacion, y la licuacion se completa mediante enfriamiento por efecto Joule-Kelvin. La unidad se compone de un compresor de cuatro etapas, un gasometro, un purificador y un criostato que contiene 10s motores, cambiado- res de calor, vasos Dewar, bombas de vacio y manometros.

Los dispositivos de laboratorio mas sencillos para producir pequefias cantidades de alrz liquido son 10s frigorificos Stirling, descritos en la Sec- cion 6. Diagrama ternpsratura-entropia para el helio. En el punto critico, 10s dos vol6menes y, por tanto, tarnbien arnbas densidades coinciden. Sobre un diagrarna Pv, el punto critico es la posicion lirnite a que tienden dos puntos situados sobre una horizontal y que se aproxirnan uno a1 otro.

De la Figura Para medir valores precisos de PC, uc y Tc es necesario determinar exactamente cudndo se ha alcanzado el punto critico. Con este fin se aumenta lenta y uniformemente la temperatura de la sustancia encerrada en un tub0 de volumen constante.

Consideremos que el tubo se ha llenado de mod0 que el menisco que separa las fases se halla inicialmente cerca de su parte superlor. Al aumentar la temperatura, el liquido se dilata y el menisco se eleva hasta el extremo superior del tub0 cuando condense finalmente el vapor, siguiendo la linea de trazos Si se llena el tub0 de mod0 qile la posicihn inicial del menisco se halle cerca de la parte inferior, Figura K Hobgood y K G.

Para observar el punto critico, el tub0 debe llenarse de modo que el menisco quede aproximadamen- te en la mitad del tubo, como muestra la linea de trazos que pasa por el punto critico. A1 aproximarse al punto critico, la observacion se dificulta por las siguientes razones: 1. Dado que la compresibilidad es infinita, el campo gravitatorio terrestre produce grartdes gradientes de densidad desde la parte superior a la inferior.

Estos pueden compensarse en parte observando el tub0 tanto en posicion vertical como horizontal. Como la capacidad calorifica es infinita, el equilibrio tkrmico es muy dificil de alcanzar.

Dado que el coeficiente de dilatation tkrmica es infinite, pequefios cambios de temperatura de un elemento de masa local interior al sistema producen grandes variaciones de volumen y, por consiguiente. Este fenomeno se denomina opulescencia critica. La presion y la temperatura criticas pueden medirse a1 mismo tiempo observando la presion a la cual desaparece el menisco.

Sin embargo, el volumen critico es mucho mas dificil de determinar. El sistema mas usual de medida consiste en medir las densidades, tanto del liquido como del vapor saturados, en funcion de la temperatura, tan cerca como sea posible de la temperatur? Se representan entonces estas densidades en funcion de la temperatura, y se construye una linea que represente la media aritmetica de estas densidades, como se indica en la Figura Tal linea se suele denominar diametro rectilineo, y la experiencia demuestra que es virtualrnente una recta.

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