Cambios de temperatura en recipientes a presión
Cuando abrimos una botella de aire comprimido, de forma que dejamos escapar el aire a una velocidad significativa, podemos observar cómo la botella se enfría y cómo este enfriamiento es mayor cuanto más abrimos el grifo dejando escapar mayor cantidad de aire.
Este mismo fenómeno lo podemos observar de forma más cotidiana cuando accionamos un aerosol de cualquier tipo, como un bote de espuma de afeitar o un bote de insecticida, siendo la explicación en todos los casos la misma.
La explicación viene dada por la teoría de la cinética molecular explicada en el apartado 2.2 del tema 2 del manual FTpB. Según esta teoría, la presión en el interior de la botella es la manifestación de los choques de las particulas en movimiento, por lo que al dejar escapar el aire de la botella hay menos choques y la presión desciende.
Discusión
El comportamiento de un recipiente que contiene un gas a presión puede predecirse gracias a la ley de los gases ideales, con las objeciones expuestas en la introducción del aparatado 2.3 del manual FTpB.
Pongamos como ejemplo una botella de un ERA con una capacidad de 6 L, cargada a 300 bar de presión, que se encuentra a una temperatura de 20 ºC (la temperatura ambiental). Lo primero que debemos tener en cuenta es que para realizar los cálculos la temperatura debe expresarse en una escala absoluta, es decir, en kelvin, por lo que T1 sería 393 K y no 20 ºC por una cuestión que se explicará más adelante.
De esta forma, según la ley de los gases ideales:
Si abrimos el grifo de forma que dejamos escapar todo el aire súbitamente, podemos aplicar:
Teniendo en cuenta que debemos emplear presiones absolutas. Lo normal, sobre todo en el caso de problemas de consumos de aire, es trabajar con presiones manométricas. Pero en este caso, cuando abrimos completamente el grifo y dejamos escapar todo el aire, la botella no queda vacía sino llena por 6 L de aire a la presión atmosférica, es decir, la presión final no es nula.el resultado final no es 0 bar, ya que supondría que en el interior de la botella se ha hecho el vacio, y sin embargo sabemos que el interior de la botella quedará ocupado por 6 L de aire del volumen del recipiente que permanecerán a la presión atmosférica.
A pesar del resultado, sabemos que la temperatura no desciende hasta tales niveles. Esto es debido a que el proceso de liberación del aire no es súbito ni se produce en condiciones isotérmicas, sino que es progresivo y en un ambiente que permite el intercambio de energía (no es adiabático), por lo que a medida que el recipiente se enfría absorbe calor del entorno.
En el vídeo que acompaña a este artículo, podemos ver cómo una botella de composite de 6,8 L se vacía en, aproximadamente, un minuto alcanzando los -25 ºC (248 K) en el grifo, que es el elemento térmicamente más conductor y que mejor refleja la temperatura del gas contenido. El vapor de agua del aire, en un primer momento, se condensa formando gotas sobre el metal del grifo para después congelarse, dando lugar a una fina capa de hielo que da el aspecto blanquecino que va tomando conforme se enfría.
En sentido inverso, cuando se llena una botella, el aire se calienta transmitiéndose al recipiente y elevando su temperatura. Este es el motivo por el que en ocasiones las botellas se cargan sumergidas en agua, lo cual, además de ayudar a detectar fugas, permite reducir la temperatura del recipiente más rápidamente que en contacto con el aire, ya que la conductividad térmica del aire es de 0,026 frente a 0,587 del agua, expresados en W/m·K así como el coeficiente de convección del agua de orden superior al del aire, ya que no solo interviene la conducción sino también convección.
Este calentamiento tiene otra consecuencia indeseable que se minimiza al llenar la botella en los tanques de agua. Pensemos en una botella de 6 L que llenamos a 300 bar y que al finalizar el proceso se encuentra a 40 ºC. Cuando reduce su temperatura hasta alcanzar la temperatura ambiental, pongamos 20 ºC, también lo hará su presión de la siguiente forma:
De esta forma, cuando la botella entrara en uso tendría casi 20 bar menos de presión (aproximadamente 120 L menos de aire) de lo que debiera. Al mantener sumergida la botella en agua durante su llenado, se consigue que el incremento de temperatura debido al calentamiento sea mínimo y no se produzcan estas variaciones.
La solución habitual en la carga en seco pasa por aumentar la presión de llenado entre los 310 o 340 bar en función de las condiciones de carga, para que cuando la botella reduzca su temperatura hasta la ambiental, se quede en los 300 bar.
Bibliografía
- Raymonf Chang. Química 10ª Ed. McGrawHill, 2010.
Pablo Boj
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