Explique como o coeficiente Joule-Thomson é utilizado na liquefação de gases.

Passo 1

A pergunta pede para explicar como o coeficiente Joule–Thomson é usado na liquefação de gases. O conteúdo aqui é termodinâmica de gases reais, mais especificamente a expansão a entalpia constante e a variação de temperatura associada.

Passo 2

Definimos o coeficiente Joule–Thomson como
muJT = (partial Tpartial P)H,
onde a expansão ocorre em entalpia constante. Ele indica se o gás esfria ( muJT>0) ou aquece ( muJT<0) ao sofrer uma queda de pressão sem troca de calor com o meio.
Em um gás real, devido às forças intermoleculares, existe uma temperatura de inversão Tinv. Para T < Tinv, tem-se muJT>0 (o gás se resfria na expansão). Para T > Tinv, muJT<0 (o gás aquece).

Passo 3

No processo de liquefação, o gás é inicialmente comprimido e pré-resfriado até abaixo de Tinv. Em seguida ele passa por uma válvula de Joule–Thomson (ou orifício capilar), sofre redução de pressão em entalpia constante e resfria de forma significativa.
Após a queda de pressão e de temperatura, parte do gás condensa em líquido. O gás ainda não liquefeito retorna num trocador de calor para resfriar o gás de entrada (ciclo em cascata), aumentando a eficiência e permitindo baixar progressivamente a temperatura até obter a fase líquida desejada.

Resposta

O coeficiente Joule–Thomson permite projetar e operar o estágio de expansão a entalpia constante numa planta de liquefação: pré-resfriando o gás abaixo da sua temperatura de inversão e depois deixando-o sofrer queda de pressão, a expansão produz resfriamento capaz de condensar o gás. A recirculação através de trocadores de calor em cascata aproveita esse efeito para alcançar temperaturas de liquefação.

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