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
onde a expansão ocorre em entalpia constante. Ele indica se o gás esfria (
) ou aquece (
) 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 . Para
, tem-se
(o gás se resfria na expansão). Para
,
(o gás aquece).
Em um gás real, devido às forças intermoleculares, existe uma temperatura de inversão
Passo 3
No processo de liquefação, o gás é inicialmente comprimido e pré-resfriado até abaixo de
. 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.
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.