Effetto di Joule-Thomson

Come realizzare le basse temperature

Un gas può essere liquefatto al di sotto del suo punto di ebollizione alla pressione adottata. Una tecnica molto usata è quella che sfrutta le forze che agiscono fra le molecole. Sappiamo che la velocità media delle particelle è proporzionale alla radice quadrata della temperatura. Ne deriva che qualsiasi maniera di diminuire la velocità equivale a raffreddare il gas. Se si può abbassare la velocità delle molecole in modo che esse riescono a catturare le proprie vicine grazie alle interazioni molecolari, il gas raffreddato condenserà allo stato liquido.

Per rallentare le molecole allorché predominano le forze attrattive,  è necessario allontanarle le une dalle altre: E' molto semplice allontanare le molecole basta lasciar espandere il gas  in modo da aumentare la separazione media delle molecole.  Per raffreddare un gas, quindi, lo lasciamo espandere impedendo ogni accesso di calore dall'esterno. Nel corso del processo le molecole, allontanandosi, viaggiano più lentamente. Il gas sarà più freddo che non prima dell'espansione. Questo processo di raffreddamento per espansione è detto Effetto Joule_Thomson.

Nella pratica, il gas è fatto espandere numerose volte, riciclandolo attraverso un dispositivo detto refrigerante di Linde. Ad ogni espansione il gas emerge più freddo. Dopo un certo numero di espansioni successive il gas diviene talmente freddo da condensare allo stato liquido.

Approfondimento

Gli esperimenti di Joule - Thomson avevano lo scopo di valutare le variazioni di temperatura che si verificano nei gas quando si espandono liberamente.

Nei loro esperimenti fu usato un sistema che consentiva ai gas di passare da alta a bassa pressione attraverso una valvola di regolazione. Il sistema era termicamente isolato in modo tale che quando il gas passava attraverso la valvola, nessun calore potesse essere assorbito o ceduto, cioè q = 0. Tali trasformazioni vengono chiamate adiabatiche:

Nell'esperimento di Joule - Thomson furono fatte misure di pressione e temperatura sia da un lato che dall'altro della valvola di regolazione. I risultati sperimentali rivelano che un gas può in una esperienza di Joule - Thomson raffreddarsi o riscaldarsi.

A temperatura ambiente si è osservato che tutti i gas, eccetto l'idrogeno e l'elio,  si raffreddano per effetto di tale espansione. Studi della dipendenza dell'effetto di espansione invertono la tendenza al riscaldamento verso un raffreddamento e la temperatura a cui avviene questo effetto è nota come temperatura di inversione.

Ricordando il grafico pV in funzione della p, si ha che per tutti i gas (ad eccezione di idrogeno ed elio) a temperatura ambiente, la curva è la seguente:

A sinistra della valvola di regolazione, il gas viene spinto a pressione p1da un volume V1 ad un volume zero, del lavoro viene fatto  da una mole di gas e tale lavoro avviene a spese dell'energia interna, W = p1V1 = - DU1.

A destra, il lavoro è fatto da una mole di gas che emerge quando esso spinge il pistone che esercita una pressione p2 da un volume zero a un volume v2.

Così il passaggio di una mole di gas dalla pressione p1 alla pressione p2 , il lavoro totale è dato da:

W= p1V1 - p2V2 <0

e procede con diminuzione di energia interna per cui si ha un abbassamento della temperatura.

Ciò trova giustificazione nella predominanza delle forze attrattive. Se si fa una espansione, le forze attrattive vengono vinte e per vincere queste forze è necessario compiere un lavoro a spese dell'energia cinetica con diminuzione della temperatura e ciò porta ad un raffreddamento (effetto Joule - Thomson positivo: ).

Ovviamente per raffreddare un gas mediante un'espansione di Joule-Thomson è necessario che la temperatura iniziale del gas sia più bassa della temperatura di inversione alla pressione iniziale del gas.

Infatti, se il gas si trova al di sopra della sua temperatura di inversione, l'espansione avviene con diminuzione di lavoro per cui il minor lavoro compiuto comporta un aumento di energia interna e quindi della temperatura.

In questo caso predominano le forze repulsive, per cui l'espansione porta ad una diminuzione delle forze repulsive.

Il fatto che un gas espandensodi si raffredda si verifica quotidianamente: Il gas che emerge da un foro sottile (esempio pompa di bicicletta, o da una bombola d'aria compressa) è più freddo dell'aria circostante. Altri esempi le bombolette di liquidi spray o la bombola di butano o di GPL, il gas che fuoriesce si raffreddamento da congelare sulla valvola l'umidità atmosferica.

Il rapporto tra la variazione di temperatura e variazione di pressione prende il nome di coefficiente di Joule-Thomson e il segno è:

• positivo, in tal caso per diminuzione di pressione si ha diminuzione di temperatura;

• negativo, per diminuzione di pressione, la temperatura aumenta.

Come realizzare le basse temperature

L'esperienza di Joule - Thomson trova una grande applicazione tecnologica delle macchine frigorifere di LINDE per la liquefazione dei gas.

La sostanza preventivamente raffreddata se occorre sotto la propria temperatura di inversione, viene fatta circolare sotto pressione (compressione isotermiche) e lasciata poi espandere adiabaticamente attraverso una valvola. Se la differenza di pressione è abbastanza grande, può accadere che la sostanza si raffreddi sotto proprio il suo punto di ebollizione nel qual caso liquefa.

Sappiamo, già, che al di sotto delle rispettive temperature di inversione (predominano le forze attrattive) è possibile liquefare i gas sfruttando l'"effetto di Joule-Thomson in espansione", e il metodo permette di raggiungere temperature non superiori ai 4K (punto di ebollizione dell'elio liquido).

Il sistema in controcorrente per cui il gas espanso e perciò raffreddato veniva impiegato per raffreddare il gas compresso e così via, consente un raffreddamento che può essere continuato finchè non si verifica la condensazione. Mediante un tale processo si può ottenere, ad esempio, l'aria liquida. L'aria liquida così ottenuta può successivamente essere distillata per ottenere ossigeno con punto di ebollizione di 90K e azoto con punto di ebollizione 77K. L'azoto liquido si può ottenere, attualmente, in modo abbastanza semplice ed è commercialmente disponibile.

L'idrogeno, per mezzo dell'azoto liquido, viene portato al di sotto della sua temperatura di inversione che è di circa 193K. L'espansione - compressione permettedi ottenere idrogeno liquido con punto di ebollizione di 22K. L'idrogeno liquido può essere utilizzato per raffreddare l'elio al di sotto della sua temperatura di inversione e le successive espansioni producono elio liquido che bolle a 4K.