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Joule-Thomson Effect

1852

James Prescott Joule
William Thomson (Lord Kelvin)

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

L'effetto Joule-Thomson (o Joule-Kelvin) descrive la variazione di temperatura di un gas reale quando viene forzato attraverso una valvola o un tappo poroso mentre viene mantenuto isolato (un processo isoentalpico). A una data temperatura pressioneUn gas possiede una temperatura di inversione. Se espanso al di sotto di questa temperatura, si raffredda; se espanso al di sopra, si riscalda. Questo effetto di raffreddamento è un principio fondamentale della refrigerazione e della liquefazione moderne.

The effect arises from the work done against intermolecular forces (van der Waals forces) as the gas expands. For an ideal gas, where intermolecular forces are negligible, the Joule-Thomson coefficient [latex]\mu_{JT} = (\frac{\partial T}{\partial P})_H[/latex] is zero, meaning no temperature change occurs. However, for real gases, these forces are significant. When a gas expands, the average distance between molecules increases. If attractive forces dominate (as they do at lower temperatures), the molecules must do work to overcome these forces, converting internal kinetic energy into potential energy, which results in a temperature decrease. Conversely, at high temperatures, repulsive forces can dominate, and expansion can lead to an increase in temperature. The temperature at which the effect switches from cooling to heating is the inversion temperature. This discovery was crucial for liquefying ‘permanent’ gases like oxygen and nitrogen, which have very low inversion temperatures, requiring pre-cooling before throttling could be effective.

Criogenia, Entalpia, Termodinamica

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinamica

Tipo

Principio fisico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

First Law of Thermodynamics (conservation of energy)
Concept of internal energy in gases
I primi esperimenti di Joule sull'espansione libera dei gas (espansione di Joule)
Theories on intermolecular forces (van der Waals forces)

Applicazioni

hampson-linde cycle for air liquefaction
cryocoolers
refrigerators and air conditioning systems
liquefaction of hydrogen and helium
cryosurgery probes

Brevetti:

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: effetto Joule-Thomson, laminazione, processo isoentalpico, temperatura di inversione, liquefazione, criogenia, gas reali, termodinamica, refrigerazione, effetto Joule-Kelvin.

Contesto storico

Scena di laboratorio che illustra gli esperimenti termodinamici sul modello dei gas perfetti.

Il modello del gas perfetto

Un gas perfetto è un modello teorico di un gas in cui le forze intermolecolari sono trascurate e le capacità termiche specifiche ([latex]C_P[/latex] e [latex]C_V[/latex]) sono assunte costanti rispetto alla temperatura. Questo semplifica notevolmente i calcoli termodinamici. Si tratta di un caso specifico di gas ideale, in cui i calori specifici possono variare con la temperatura, il che lo rende un modello più vincolato.

Scena di laboratorio del XIX secolo con Ludwig Boltzmann che studia la legge del gas ideale nella termodinamica statistica.

Legge dei gas ideali (forma statistica)

La formulazione meccanica statistica della legge dei gas ideali esprime la relazione in termini di proprietà microscopiche del gas. Essa mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]) e il volume ([latex]V[/latex]) con il numero totale di particelle ([latex]N[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante di Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

Effetto Thomson

L'effetto Thomson descrive il riscaldamento o il raffreddamento di un conduttore percorso da corrente quando esiste un gradiente di temperatura lungo la sua lunghezza. Il calore viene prodotto o assorbito quando la corrente scorre attraverso un materiale con un gradiente di temperatura. Il tasso di produzione di calore per unità di lunghezza è dato da [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], dove [latex]\mathcal{K}[/latex] è il coefficiente di Thomson.

Joule-Thomson Effect

Batteria al piombo con anodo di piombo e catodo di biossido di piombo in un laboratorio storico.

Chimica delle batterie al piombo-acido

La prima batteria ricaricabile di successo commerciale. Utilizza un anodo di piombo (Pb), un catodo di biossido di piombo (PbO₂) e un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi vengono convertiti in solfato di piombo (PbSO₄) e l'acido solforico viene consumato. Questo processo è chimicamente reversibile applicando una corrente esterna, rendendolo un sistema di accumulo di energia pratico e robusto.

Set di laboratorio per la misurazione del volume molare dei gas negli esperimenti di chimica fisica.

Volume molare di un gas

Una conseguenza diretta della legge di Avogadro è il concetto di volume molare: una mole di qualsiasi gas ideale a una temperatura e pressione specificate occupa un volume fisso. A temperatura e pressione standard (STP), definite come 273,15 K (0 °C) e 1 atm, questo volume è di circa 22,4 litri. Questo principio semplifica la stechiometria consentendo la conversione diretta tra volume di gas e moli.

Legge di Gauss per il magnetismo

Una delle quattro equazioni di Maxwell, la legge di Gauss per il magnetismo, afferma che il flusso magnetico netto in uscita da qualsiasi superficie chiusa è pari a zero. Questa legge è espressa matematicamente come [latex]\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0[/latex]. Questa legge è un'affermazione dell'osservazione sperimentale che i monopoli magnetici (poli nord o sud isolati) non sono mai stati rilevati. Le linee di campo magnetico formano sempre anelli chiusi.

1850

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1865

Chimico che conduce esperimenti con catalizzatori in un laboratorio d'epoca, 1850.

Catalizzatore in equilibrio chimico

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.

Chimico del XIX secolo che misura i volumi dei gas illustrando la legge dei gas ideali in termodinamica.

Legge dei gas ideali (forma molare)

La legge dei gas ideali è l'equazione di stato per un ipotetico gas ideale, che approssima il comportamento di molti gas in varie condizioni. La forma molare mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]), il volume ([latex]V[/latex]), la quantità di sostanza in moli ([latex]n[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante universale dei gas ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione della pressione di vapore e della temperatura in termodinamica.

Relazione di Clausius-Clapeyron

La relazione Clausius-Clapeyron descrive il rapporto tra pressione e temperatura per una sostanza in transizione di fase, come liquido e vapore. Per il vapore acqueo, mostra che la pressione di saturazione del vapore aumenta esponenzialmente con la temperatura. La forma approssimata è [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], dove L è il calore latente.

Sistema frenante a correnti parassite in un ambiente industriale che dimostra le applicazioni dell'elettromagnetismo.

Correnti indotte (Correnti di Foucault)

Le correnti parassite sono circuiti di corrente elettrica indotti all'interno di conduttori di massa da un campo magnetico variabile, secondo la legge di Faraday. Fluiscono in circuiti chiusi lungo piani perpendicolari al campo magnetico. Seguendo la legge di Lenz, queste correnti creano un proprio campo magnetico che si oppone alla variazione del flusso esterno, causando una forza repulsiva o di trascinamento e un riscaldamento resistivo.

Laboratorio di termodinamica con apparecchi Peltier e Seebeck che illustrano le relazioni Kelvin.

Relazioni Kelvin (Thomson)

Le relazioni di Kelvin sono due equazioni che collegano termodinamicamente i tre coefficienti termoelettrici: la prima relazione collega il coefficiente di Peltier ([latex]\Pi[/latex]) al coefficiente di Seebeck ([latex]S[/latex]) attraverso la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. Il secondo mette in relazione il coefficiente di Thomson ([latex]\mathcal{K}[/latex]) con la derivata della temperatura del coefficiente di Seebeck: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].

Batteria al piombo con elettrodi di piombo e biossido di piombo in elettrolita di acido solforico, elettrochimica.

Batteria al piombo-acido

La batteria al piombo-acido è la prima batteria ricaricabile, inventata da Gaston Planté nel 1859. Funziona utilizzando un anodo di piombo (Pb) e un catodo di biossido di piombo (PbO₂) immersi in un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi si convertono in solfato di piombo (PbSO₄), un processo che si inverte durante la carica, consentendo l'accumulo e il riutilizzo dell'energia.

Equazione di Maxwell-Faraday

È la forma differenziale della legge di Faraday sull'induzione, una delle quattro equazioni di Maxwell. Essa afferma che un campo magnetico variabile nel tempo ([latex]\mathbf{B}[/latex]) accompagna sempre un campo elettrico spazialmente variabile e non conservativo ([latex]\mathbf{E}[/latex]). La relazione è espressa come [latex]\nabla \tempi \mathbf{E} = -\frac{parziale \mathbf{B}}{parziale t}[/latex]. Questa equazione regola il modo in cui i campi magnetici variabili creano campi elettrici in un punto specifico dello spazio.

Scena storica di laboratorio che illustra le equazioni di Maxwell nella ricerca sull'elettromagnetismo.

Le 4 equazioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell sono un insieme di quattro equazioni differenziali parziali accoppiate che costituiscono il fondamento dell'elettromagnetismo classico. Descrivono come i campi elettrici e magnetici vengono generati e modificati l'uno dall'altro e da cariche e correnti. Sono la legge di Gauss, la legge di Gauss per il magnetismo, la legge di induzione di Faraday e la legge di Ampère-Maxwell.

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)