Joule-Thomson effect : When a real gas is allowed to expand adiabatically through a porous plug or a fine hole into a region of low pressure, it is accompanied by cooling (except for hydrogen and helium which get warmed up).Cooling takes place because some work is done to overcome the intermolecular forces of attraction. As a result, the internal energy decreases and so does the temperature.Ideal gases do not show any cooling or heating because there are no intermolecular forces of attraction i.e., they do not show Joule-Thomson effect.During Joule-Thomson effect, enthalpy of the system remains constant.Joule-Thomson coefficient. = (T/P)H.For cooling, = +ve (because dT and dP will be ve)For heating = ve (because dT = +ve, dP = ve).For no heating or cooling = 0 (because dT = 0).(6) Inversion temperature : It is the temperature at which gas shows neither cooling effect nor heating effect i.e., Joule-Thomson coefficient = 0. Below this temperature, it shows cooling effect and above this temperature, it shows heating effect.Any gas like H2, He etc, whose inversion temperature is low would show heating effect at room temperature. However, if these gases are just cooled below inversion temperature and then subjected to Joule-Thomson effect, they will also undergo cooling.Kalau Anda pernah belajar ilmu termodinamika ketika kuliah, pasti pernah mendengar istilah Ekspansi Joule Thomson atau biasa juga disebut Joule-Thomson Effect. Banyak orang (lebih tepatnya sih mahasiswa) merasa bingung dan tak terbayang ketika belajar istilah ini. Sering juga orang menyebutnya mata kuliah yang abstrak banget. Kayaknya sulit dilihat atau diwujudkan dalam kehidupan sehari-hari. Benarkah demikian? Yuk, kita lihat kisah seru ekspansi Joule-Thomson.Suatu hari Joule dan Thomson melakukan eksperimen dengan peralatan sederhana seperti berikut. Bayangkan sebuah tabung dengan pelat berpori (porous plug) yang memisahkan tabung tersebut menjadi dua bagian. Pelat tersebut dapat dilewati gas tetapi dengan laju yang lambat (biasanya istilah gaul termodinamikanya disebut throttle). Pada kedua ujung tabung tersebut terdapat piston yang bisa masuk dengan tepat dan kuat ke dalam tabung. Setiap piston bisa bergerak mendekati dan menjauhi poros berpori tersebut. Tabung juga diinsulasi dengan baik sehingga tidak ada kalor yang bisa masuk dan keluar tabung tersebut (istilah keren: adiabatik).

Skema Percobaan Ekspansi Joule-ThomsonGas dimasukkan di antara pelat berpori dan piston sebelah kiri tabung. Kita sebut sisi pertama. Pada bagian kanan tabung, piston berada tanpa ruang kosong di sebelah poros berpori. Sebut saja sisi kedua. Volume awal sisi pertama adalah V1. Tekanan awal dan temperaturnya masing-masing P1 dan T1. Sekarang, gas pada sisi pertama didorong piston ke arah poros berpori dan pada saat yang sama piston sisi kedua akan tertarik menjauhi poros berpori sehingga memiliki tekanan P2 (tentu saja P2 lebih kecil daripada P1). Pada akhir eksperimen, piston sisi pertama tepat berada di sebelah poros berpori dan kondisi (volume, tekanan, dan temperatur) akhir sisi kedua adalah V2, P2, dan T2.Ada yang aneh hasil percobaan sederhana tersebut! Pengukuran yang akurat menunjukkan T2 tidak sama dengan T1. Kadang T2 bisa lebih kecil dan lebih besar dari T1. Bagaimana menjelaskan hal ini?Analisis AwalProses diawali dengan volume V1=V1 dan V2=0 dan diakhiri dengan V1=0 dan V2=V2. Kerja yang dilakukan pada sisi pertama: W1= P1(0-V1) =P1V1. Kerja yang dihasilkan pada sisi kedua: W2 = P2 (V2-0) = P2V2 (sekedar intermezo: Masih ingat kan rumus kerja W = P ?V?? Kalo negatif berarti kerja yang dihasilkan sisitem, kalo positif berarti kerja yang dilakukan pada sistem).Berarti kerja total adalahWtotal = W1 + W2 = P1V1 P2V2Masih ingat hukum termodinamika pertama? deltaU = Q + W. Artinya perubahan energi dalam sistem akan dipengaruhi oleh panas dan kerja total yang terjadi pada sistem. Karena eksperimen ini dilakukan pada kondisi adiabatik, maka Q = 0. Dengan demikian energi dalam (deltaU) hanya bergantung pada W (kerja total sistem).DeltaU = WtotalU2 U1 = P1V1 P2V2U2 + P2V2 = U1 + P1V1Masih ingat U+PV = H (entalpi) ??Jadi, persamaan terakhir ditutup dengan H2 =H1. Proses ternyata berlangsung pada kondisi ISENTALPI!Biasanya dalam soal atau aplikasi termodinamika, alat yang berperan sebagai poros berpori (porous plug) tersebut adalah valve. Nah, uda tahu kan kenapa pada setiap soal termodinamika yang berhubungan dengan valve selalu diselesaikan dengan kondisi isentalpi (H2 =H1)?Sekian tulisan ekspansi Joule-Thomson bagian pertama. Pembahasan mengenai efek penurunan/kenaikan temperatur akan dijelaskan pada bagian kedua. Nantikan kisah seru ekspansi Joule-Thomson pada bagian kedua.Tak bermaksud menggurui, hanya sekedar berbagi ilmu.

Efek Joule-Thompson

Efek Joule-Thompson Apabila sejumlah gas mengalami pengembangan yang sangat cepat dari keadaan tekanan tinggi menjadi tekanan rendah, cepatnya waktu tadi secara praktis tidak memungkinkan gas untuk mengalami perambatan kalor dari luar ke dalam sistem atau sebaliknya. Dengan demikian q = 0 dan proses dapat dianggap berlangsung secara adiabat. Sebagai akibat pengembangan adiabat ini, gas mengalami perubahan suhu bisa positif atau negatif. artinya suhu dapat naik atau turun sebagai akibat pengembangan ini.Gejala ini disebut sebagai efek Joule-Thompson. Secara molekular,penurunan suhu pada pengembangan adiabat disebabkan antara molekul terdapat gaya tarik.Pada saat dikembangkan,diperlukan energi untuk mengalahkan gaya tarik antar-molekul tersebut.Dengan berlangsungnya proses secara adiabat,sehingga tidak mungkin memperoleh energi dari luar,sistem akan mengambil energi dari simpanannya sendiri yang mengakibatkan penurunan suhu.pengembangan yang menghasilkan penurunan suhu sangat berguna,karena apabila dilakukan berulang-ulang dapat menghasilkan penurunan suhu cukup besar yang menyebabkan gas mengalami kondensasi atau pencairan.Untuk mendapatkan kondisi yang tepat agar terjadi pendingina,persyaratan termodinamika bagi gejala tersebut akan di bahas. Proses pencairan gas berdasarkan efek Joule-Thompson seperti yang tergambar pada Gambar dibawah ini :

Dengan pertolongan suatu kompresor,gas pertama kali di tekan ke tekanan tinggi,kemudian di lepas untuk mengalami pengembangan bebas melalui suatu moncong berlubang kecil. Gas yang telah mengalami penurunan suhu ini diisap kembali ke dalam kompressor,dan proses dapat di ulang kembali. Dengan melakukannya berulang-ulang akan dicapai suhu cukup rendah,sehingga pada pengembangan atau ekspansi di hasilkan cairan sebagai akibat terjadinya proses kondensasi.Secara termodinamika,pengembangan Joule-Thompson dapat digambarkan sebagai suatu gas yang ditekan melalui media berpori dari bagian kiri dengan tekanan p1 dan volum V1 ke bagian kanan dengan tekanan p2 yang lebih rendah dan volum V2. Proses dilakukan dalam silinder yang terserat,seperti tergambar dalam Gambar berikut:

Dengan dq = 0,ungkapan Hukum pertama menjadi Du = -pdV yang dapat diinegrasi sesuai skema diatas,yaitu :U = U2 U1 = - 1 dV 2 dVMenghasilkan hubungan berikut : U1 + p1V1 = U2 + p2V2 Hasil ini menunjukan bahwa pengembangan Joule-Thompson berlangsung pada enthalpi tetap atau insentalp, bukan entropi tetap meskipun berlangsung secara adiabat. Perubahan suhu pada pengembangan ini karenanya adalah perubahan suhu dengan tekanan pada enthalpi tetap. Sifat gas pada pengembangan Joule-Thompson dicirikan dengan suatu besaran lT yang disebut sebagai koefisien Joule-Thompson, dan didefinisi melalui ungkapan lT = h Mengingat pada proses pengembangan tekanan mengecil, sehimgga dp negatif, pengembangan Joule-Thompson akan mengakibatkan penurunan suhu apabila harga koefisien Joule-Thompson adalah positif. Ini berarti bahwa apabila kurva insentalp digambarkan dalam diagram p T, penurunan suhu terjadi bila pengembangan bertolak dari daerah dengan kelerengan kurva positif, sehingga tergambar dalam gambar dibawah ini. Apabila keadaan gas terletak diluar daerah ini, harus terlebih dahulu dibawah kedalam daerah tersebut melaalui pendinginan, sebelum dilakukan pengembangan.

Untuk mendapatkan persyaratan yang akan memberikan harga positif bagi lT , ungkapan persamaan sebelumnya akan ditulis sebagai berikut : lT = - yang berkat hubungan Maxwell dapat ditulis lebih lanjut sebagai berikut : lT = - Pada harga tekanan rendah, bagi v maupun cp dapat digunakan uraiannya terhadap tekanan, yaitu : v = + B + .... cp = cp + p + ....Dengan pertimbangan serupa, koefisien Joule-Thompson dapat pula diungkapkan sebagai : lT = lT +p + .....Melalui kedua substitusi diatas, serta melakukan uraian deret, dapat ditunjukan bahwa harga limiy tekanan rendah bagi koefisien Joule-Thompson adalah : = - Dari ungkapan ini tampak bahwa pada limit tekanan rendah suhu inversi Ti adalah suhu dimana harga B sama dengan T, seperti ditunjukan pada gambar dibawah ini:

Sebagai contoh dapat diambil gas van der Waals, dengan koefisien virial kedua berbentuk B = b - , yang menghasilkan B T = b - , sehingga suhu inversi pada tekanan rendah adalah T1= .