Effetto Joule-Thomson: come si raffreddano e si liquefanno i gas

Come si fa a liquefare l’aria, o a produrre l’azoto liquido che vediamo fumare nei laboratori? Il segreto è un fenomeno tanto semplice da enunciare quanto profondo: quando molti gas si espandono passando attraverso una strozzatura, si raffreddano. È l’effetto Joule-Thomson, alla base di frigoriferi, climatizzatori e impianti di liquefazione dei gas.

Vediamo che cos’è questo effetto, perché un gas che si espande può raffreddarsi o scaldarsi, e che cosa significa la temperatura di inversione.

L’esperimento: un gas che attraversa una strozzatura

Immaginiamo un gas spinto lentamente attraverso una parete porosa o una piccola apertura, passando da una zona ad alta pressione a una a bassa pressione, il tutto in un contenitore isolato che non scambia calore con l’esterno. Misurando la temperatura prima e dopo, si scopre che per molti gas essa diminuisce. È un risultato sorprendente: il gas si raffredda pur senza cedere calore a nessuno.

Un’espansione senza scambio di calore

Il punto chiave è che l’espansione avviene senza scambio di calore e in un modo particolare in cui resta costante una grandezza chiamata entalpia. Non essendoci scambio di calore con l’esterno, se la temperatura cambia è solo perché l’energia interna del gas si redistribuisce. La variazione di temperatura è quindi una proprietà intrinseca del gas, legata al modo in cui le sue molecole interagiscono fra loro.

Perché il gas si raffredda: il ruolo delle forze fra molecole

La spiegazione sta nelle forze di attrazione fra le molecole. In un gas reale, le molecole si attraggono debolmente. Quando il gas si espande, le molecole si allontanano le une dalle altre, e per farlo devono “vincere” queste attrazioni: spendono energia, proprio come una pallina che sale rallenta perdendo energia cinetica. Questa energia viene presa dal movimento stesso delle molecole, che rallentano: e poiché la temperatura misura la velocità media delle molecole, il gas si raffredda.

Quando invece il gas si scalda: la temperatura di inversione

Non sempre l’espansione raffredda. Ad alte temperature predominano gli urti e le forze repulsive a corto raggio, e l’effetto si inverte: il gas espandendosi si scalda. Esiste quindi una temperatura di inversione, caratteristica di ogni gas, che separa i due comportamenti: al di sotto il gas si raffredda espandendosi, al di sopra si scalda. Per liquefare un gas con questo metodo bisogna prima portarlo al di sotto della sua temperatura di inversione.

μ_JT = (variazione di T) / (variazione di p)    a entalpia costante

Il coefficiente di Joule-Thomson

L’entità dell’effetto si misura con il coefficiente di Joule-Thomson, che indica di quanti gradi cambia la temperatura per ogni unità di variazione della pressione. Quando è positivo, il gas si raffredda espandendosi; quando è negativo, si scalda. Alla temperatura di inversione il coefficiente vale zero. Il segno e il valore del coefficiente dipendono dal gas e dalla temperatura, ed è proprio questa dipendenza a essere riassunta dalla temperatura di inversione.

L’applicazione: liquefare i gas

L’effetto Joule-Thomson è il cuore degli impianti di liquefazione dei gas. Comprimendo il gas, raffreddandolo e poi lasciandolo espandere attraverso una strozzatura, lo si raffredda ulteriormente; ripetendo il ciclo molte volte, la temperatura scende fino a liquefare il gas. È così che si producono industrialmente azoto, ossigeno e aria liquidi. Lo stesso principio fa funzionare i frigoriferi e i condizionatori, dove un fluido che si espande raffredda l’ambiente. Per gas come l’idrogeno e l’elio, che a temperatura ambiente si scaldano espandendosi, occorre prima raffreddarli sotto la loro temperatura di inversione, molto bassa.

La differenza con l’espansione che compie lavoro

Vale la pena distinguere l’effetto Joule-Thomson da un altro modo in cui un gas si raffredda espandendosi: quello in cui il gas spinge un pistone e compie lavoro verso l’esterno. In quel caso il raffreddamento avviene perché il gas cede energia sotto forma di lavoro, e accade anche per un gas ideale. Nell’effetto Joule-Thomson, invece, il gas non compie alcun lavoro utile verso l’esterno: attraversa semplicemente una strozzatura. Il raffreddamento, qui, dipende unicamente dalle interazioni fra le molecole, e per questo è una proprietà esclusiva dei gas reali. Sono due fenomeni distinti che è facile confondere, ma che hanno cause diverse: uno è dovuto al lavoro compiuto, l’altro alle forze intermolecolari.

Domande frequenti

Che cos’è l’effetto Joule-Thomson?

È la variazione di temperatura che un gas reale subisce quando si espande attraverso una strozzatura senza scambiare calore con l’esterno. Per molti gas a temperatura ambiente comporta un raffreddamento, che viene sfruttato per liquefare i gas e nei sistemi di refrigerazione.

Perché un gas che si espande si raffredda?

Perché nei gas reali le molecole si attraggono debolmente; espandendosi devono allontanarsi vincendo queste attrazioni, e l’energia necessaria viene presa dal loro movimento, che rallenta. Poiché la temperatura misura la velocità media delle molecole, il gas si raffredda.

Che cos’è la temperatura di inversione?

È la temperatura caratteristica di ogni gas che separa i due comportamenti: al di sotto il gas si raffredda espandendosi, al di sopra si scalda. Alla temperatura di inversione l’effetto è nullo. Per liquefare un gas con questo metodo bisogna portarlo sotto la sua temperatura di inversione.

L’effetto avviene anche in un gas ideale?

No. In un gas ideale le molecole non interagiscono fra loro, quindi l’espansione attraverso la strozzatura non produce alcuna variazione di temperatura. L’effetto Joule-Thomson è una manifestazione diretta delle forze fra le molecole ed esiste solo nei gas reali.

A cosa serve in pratica?

È alla base degli impianti di liquefazione dei gas, con cui si producono azoto, ossigeno e aria liquidi, e del funzionamento di frigoriferi e condizionatori. In tutti questi casi un gas che si espande raffredda l’ambiente o se stesso, in cicli ripetuti che abbassano progressivamente la temperatura.