Licuefacción de Gases

Tanto la física como la química se ocupan del estudio de la materia, la energía y sus interacciones. Los científicos saben que la materia puede cambiar de estado y que la suma de la materia y la energía de un sistema es constante debido a las reglas termodinámicas. La materia cambia de estado cuando se le agrega o quita energía, formando un estado de materia. Una de las formas en que la materia interactúa consigo misma para generar una fase homogénea se denomina estado de la materia .

“Estado de la materia” y “fase de la materia” son términos intercambiables. Esto está bien en su mayor parte. Un sistema técnicamente puede tener múltiples fases de la misma condición de la materia. Una barra sólida de acero, por ejemplo, podría comprender ferrita, cementita y austenita. Hay dos fases líquidas en una mezcla de aceite y vinagre (un líquido).

Licuefacción de Gases

La licuefacción es la transformación de una sustancia gaseosa en estado líquido.

Por ejemplo, el oxígeno suele ser una sustancia gaseosa que se puede cambiar a líquido ejerciendo suficiente presión y bajando la temperatura.

Para licuar un gas, las moléculas deben estar más juntas. Esto se puede lograr bajando la temperatura y aumentando la presión. Cuando aumenta la presión sobre un gas, las moléculas se acercan más y más hasta que se fusionan para crear líquidos a una presión específica. 

Sin embargo, cuando baja la temperatura de un gas, las moléculas pierden energía cinética, lo que resulta en una caída significativa de la velocidad. Las moléculas que se mueven lentamente no pueden resistir la fuerza de atracción, por lo que se acercan más y más hasta que se agrupan para crear un líquido.

La licuefacción de los gases se produce por una disminución de la temperatura y un aumento de la presión.

Condiciones necesarias para la licuefacción de gases

Las siguientes son dos condiciones que deben cumplirse para que los gases se licúen:

• Baja temperatura
• Alta presión

Temperatura crítica

T. Andrews investigó el fenómeno de la licuefacción de gases en 1869 y logró licuar varios gases. Descubrió que no importa cuán alta sea la presión aplicada, cada gas tiene una temperatura específica por encima de la cual no puede licuarse. Esta temperatura se denomina temperatura crítica del gas. Es posible definirlo de la siguiente manera:

La temperatura crítica de un gas es la temperatura por encima de la cual es imposible licuarlo con cualquier cantidad de presión.

 por ejemplo, el dirust de carbono tiene una temperatura crítica de 30,98 ^o C. Esto significa que ninguna cantidad de presión aplicada al dirust de carbono hará que se licue por encima de 30,98 ^o C.

Tc es un _símbolo de la temperatura crítica. Es proporcionado por-

Tc =8a / _27bR

Donde R es la constante de los gases y a y b son las constantes de Van der Waal.

Presión crítica y volumen crítico:

La presión crítica de un gas es la presión mínima requerida para licuarlo a la temperatura crítica. Pc es su _símbolo y viene dado por:

PC =a / _27b ²

Donde a y b son constantes de Van der Waal.

El volumen crítico de un gas es el volumen que ocupa un mol del gas en condiciones críticas. V _c es el símbolo para él, y es proporcionado por-

V _c = 3b

El volumen efectivo de las moléculas por mol de gas se denota por b.

Las constantes críticas del gas son Tc, Pc y Vc.

Isotermas del dirust de carbono

T. Andrews realizó una serie de pruebas de dirust de carbono, analizando la relación presión-volumen del gas a varias temperaturas y trazando los resultados. Las isotermas P-V del dirust de carbono son los nombres que reciben estas curvas. A 0°C, 21°C, 31,1°C y 50°C, se obtuvo la isoterma.

• El dirust de carbono se presenta como gas en el punto A, la temperatura más baja utilizada, es decir, 13,1 ^o ​​C a baja presión.
• El volumen del gas cae a medida que aumenta la presión a lo largo de la curva, como puede verse.
• Hasta el punto B, el dirust de carbono se comporta como gas cuando alcanza los 21,5 ^o C.
• El gas existe en un estado dual en el punto B, es decir, es líquido y gas.
• En el punto C, todo el dirust de carbono se condensa, lo que provoca un aumento de la presión.
• Debido a que el líquido tiene un volumen mucho más pequeño que el gas, cuando comienza la licuefacción, el volumen del gas disminuye rápidamente.
• Debido a que los líquidos son relativamente poco comprimibles, una vez que se completa la licuefacción, el aumento de presión tiene muy poca influencia en el volumen. Como resultado, se produce una curva empinada. La línea empinada representa la isoterma líquida.
• El comportamiento del gas a la compresión es considerablemente diferente por debajo de 30,98 ^o C, y cada curva sigue un patrón similar. A temperaturas más bajas, solo aumenta la longitud de la línea horizontal y, en el punto crítico, la porción horizontal de la isoterma se fusiona en un solo punto.
• El gas no puede licuarse por encima de los 30,98 ^o C, a pesar de que se puede aplicar una presión considerable. Como resultado, la temperatura crítica del dirust de carbono es de 30,98 ^o C.
• Debido a la compresión isotérmica, se descubrió que todos los gases se comportan de manera idéntica al dirust de carbono.

Importancia de la Temperatura Crítica: En la licuefacción de gases, la temperatura crítica es crucial. Solo cuando el gas está por debajo de su temperatura crítica puede licuarse. Los gases con una temperatura crítica alta, como NH ₃ , CO ₂ , SO ₂ y otros, pueden licuarse aplicando suficiente presión.

Los gases con temperaturas críticas bajas o muy bajas, como el H ₂ , el He y otros, no pueden licuarse simplemente añadiéndoles presión. Solo pueden licuarse si se enfrían por debajo de su temperatura crítica y luego se exponen a suficiente presión.

Condiciones requeridas para lograr la Licuefacción de Gases

Los siguientes principios generalmente se pueden aplicar al enfriamiento de gas:

1. Al comprimir el gas por debajo de su temperatura crítica.
2. Efecto Joule-Thomson: cuando un gas altamente comprimido se mueve a través de un estrangulador (un tapón o chorro poroso) desde una zona de alta presión a una región de baja presión en circunstancias adiabáticas, sufre una caída de temperatura por debajo de su temperatura de inversión. El efecto Joule-Thomson es un fenómeno comúnmente explotado en la licuefacción de gases.
3. Expansión adiabática que involucra trabajo mecánico: cuando un gas experimenta una expansión adiabática que involucra trabajo mecánico, parte de su energía cinética se pierde y la temperatura desciende.

Métodos de licuefacción de gas

• Método de Linde: en este procedimiento se utiliza el efecto Joule-Thomson. El aire puro y seco se introduce en un compresor, que lo comprime a unas 200 atmósferas. Luego, el calor de compresión se elimina pasándolo a través de un conducto enfriado por un líquido refrigerante como el amoníaco líquido. Luego, el aire presurizado se dirige a través de una cámara aislada y hacia un tubo en espiral con un chorro en un extremo. El aire comprimido se expande a medida que pasa a través del chorro, lo que resulta en una reducción significativa de la temperatura. El aire expandido sube por la cámara, enfriando el aire fresco que entra por el tubo espiral. Luego se recoge y se devuelve al compresor a través de un conducto. Cuando el aire está suficientemente enfriado y licuado, el procedimiento se realiza una y otra vez.

• El método de Claude-Este método implica trabajo mecánico y aprovecha los efectos de expansión Joule-Thomson y adiabático del gas. El compresor solo acepta aire limpio y seco, que se comprime a unas 200 atmósferas. Luego, el calor de compresión se elimina enfriándolo con un líquido refrigerante. Un tubo transporta el gas comprimido a una cámara aislada. Aquí se divide en dos partes. Un componente se transporta a través de un tubo en espiral con un chorro al final, donde sufre una expansión de Joule-Thomson y se registra una caída de temperatura. La segunda mitad se inserta en el cilindro de un motor, donde realiza un trabajo mecánico al empujar el pistón hacia atrás y se enfría. Luego ingresa a la cámara aislada y se mezcla con el aire del chorro. La tubería que transporta el aire entrante se enfría posteriormente. El aire enfriado se recoge y se devuelve al compresor.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cuál es el proceso de licuefacción?

Responder:

La licuefacción es la transformación de una sustancia gaseosa en estado líquido.

Por ejemplo, el oxígeno suele ser una sustancia gaseosa que se puede cambiar a líquido ejerciendo suficiente presión y bajando la temperatura.

Pregunta 2: ¿Qué papel juega la temperatura crítica en la licuefacción de los gases?

Responder:

En la licuefacción de gases, la temperatura crítica es crucial. Solo cuando un gas está por debajo de su temperatura crítica puede licuarse.

Pregunta 3: ¿Cuáles son los usos de la licuefacción de gases?

Responder:

El mayor beneficio de la licuefacción de gas es que permite un almacenamiento y transporte considerablemente más compactos de lo que es posible en la condición gaseosa. El GLP y el Oxígeno Líquido, por ejemplo, son dos de los gases más significativos.

Pregunta 4: ¿Qué papel juega la presión en la licuefacción del gas?

Responder:

Cuando se aplica suficiente presión a un gas, el espacio entre sus partículas se contrae, el gas comienza a comprimirse y los gases comienzan a licuarse.

Pregunta 5: ¿Cuál es el principio de la licuefacción de los gases?

Responder:

La licuefacción de gases requiere alta presión y baja temperatura, según el principio. El aumento de la presión hace que las moléculas de gas se acerquen, mientras que la disminución de la temperatura hace que aumenten las fuerzas de atracción.

Pregunta 6: ¿Cuáles son los dos pasos más importantes en el proceso de licuefacción del gas?

Responder:

Los siguientes son los dos pasos principales involucrados en la licuefacción de gases: 

• Aumente la presión, lo que empuja las moléculas de gas más juntas.
• La temperatura desciende, lo que hace que aumenten las fuerzas de atracción.