Propietats inmediates

 

·        Estat: a 25 ºC y 1 atm (101,325 kPa) està en estat gasós.

·        La temperatura de fusió: -259,2 ºC

·        La temperatura d'ebullició: -252,77 ºC

·        La massa atòmica: MH = 1,007940 kg/kmol

·        La massa molecular: MH2 = 2,01588 kg/kmol

·        La constant específica del gas, R' = R/MH2 = 8314/2,01588 = 4124,3 J/(kgK).

·        La constant de difusió, D = 0,61 cm2/s.

·        La calor específica a pressió constant, cp = 28,623 kJ/(kmol K)               

·        La calor específica a volum constant, cv = 20,309 kJ/(kmol K).

 

Densitat

 

Acceptant comportament ideal (pressions baixes):

 

r = p/R'T

 

on p és la pressió, R' la constant específica del gas (R' = R/M), R la constant universal dels gasos (R = 8314 J/(kmolK)), M la massa molecular i T la temperatura absoluta.

 

En condicions normals ( 0 ºC i 101,325 kPa):

 

r = 0,0899 kg/Nm3 = 0,04462 kmol/Nm3

   

Volum específic

 

v = R'T/p

 

El volum molar en condicions normals:

 

v =  22,41 Nm3/kmol

 

on N indica condicions normals.

         

Equació d'estat

 

Acceptant comportament ideal:

 

pv = RT

 

on v és el volum molar, p  la pressió, T  la temperatura absoluta i R  la constant universal dels gasos (R = 8314 J/(kmolK)

 

Per més exactitut:

 

pv = ZRT

 

on Z és el factor de compressibilitat que es pot obtenir per medi de taules, gràfiques o equacions.   

 

                                        Taula de valors del factor de compressibilitat

 

                                  Temperatura (K)

Pressió

(bar)

  250

273,15

298,15

  350

  400

  450

  500

       1

1,00070

1,00040

1,00060

1,00055

1,00047

1,00041

1,00041

       5

1,00337

1,00319

1,00304

1,00270

1,00241

1,00219

1,00196

     10

1,00672

1,00643

1,00605

1,00540

1,00484

1,00435

1,00395

     50

1,03387

1,03235

1,03037

1,02701

1,02411

1,02159

1,01957

   100

1,06879

1,06520

1,06127

1,05369

1,04807

1,04314

1,03921

   150

1,10404

1,09795

1,09189

1,08070

1,07200

1,06523

1,05836

   200

1,14056

1,13177

1,12320

1,10814

1,09631

1,08625

1,07849

   250

1,17789

1.16617

1,15499

1,13543

1,12034

1,10793

1,08764

   300

1,21592

1,20101

1,18716

1,16300

1,14456

1,12957

1,11699

   350

1,25461

1,23652

1,21936

1,19051

1,16877

1,15112

1,13648

   400

1,29379

1,27220

1,25205

1,21842

1,19317

1,17267

1,15588

   450

1,33332

1,30820

1,28487

1,24634

1,21739

1,19439

1,17533

   500

1,37284

1,34392

1,31784

1,27398

1,24173

1,21583

1,19463

   600

1,45188

1,41618

1,38797

1,33010

1,29040

1,25920

1,23373

   700

1,53161

1,48880

1,44991

1,38593

1,33914

1,30236

1,27226

 

 

Una posibilitat alternativa és emprar una equació d'estat aproximada com la de Beattie-Bridgeman:

 

        RT         c                A

p =   ¾ (1 - ¾¾)(v + B) - ¾                                                  

         v2        vT3              v2

 

amb v en m3/kmol, T en K i p en kPa.

 

Els valors de les constants c, A i B son: c = 504,  A = 20,0117(1 + 0,00506/v),  B = 0,02096(1 +  0,04359/v).

 

Diagrama p-h de l'hidrogen

 

Característiques energètiques

PCI = 242,0 MJ/kmol = 120,05 MJ/kg = 33,35 kWh/kg  = 3,00 kWh/Nm3

PCS = 286,0 MJ/kmol = 141,87 MJ/kg = 39,41 kWh/kg = 3,54 kWh/Nm3

 

on PCI és el poder calorífic inferior i PCS el poder calorífic superior.

 

Aquests valors es poden comparar amb els d'altres combustibles:

                                                   

                                              Poder calorífic de l'H2 i d'altres combustibles

Substància

Poder calorífic

 (kWh/kg)

Hidrogen

33,35 (inferior)

Carboni

9,42

Metà

13,9 (inferior)

Benzina

12,1 (inferior)

Gas-oil

11,9 (inferior)

 

Algunes correlacions útils per l'hidrogen

 

Assenyalem a continuació algunes correlacions per a obtenir les propietats termofísiques més inmediates de l'hidrogen.

 

Conductivitat tèrmica, estat líquid entre -259 y -241 ºC, en W/(mK):

 

kl = - 8,544 ´ 10-3  + 1,035 ´ 10-2 T - 2,238 ´ 10-4 T2  

 

Viscositat dinàmica, estat líquid entre -259 y -245 ºC, en kg/(ms):

 

ml = - 4,857 ´ 10-3 + 2,513 ´ 10-2/T  + 1,409 ´ 10-4 T - 2,773 ´ 10-6 T2  

 

Calor específic a pressió constant, estat líquid entre -259 y -245 ºC, en kJ/(kgK):

 

cp = 15,865 - 1,381 T + 5,095 ´ 10-2 T2 - 1,019 ´ 10-5  T3 

 

Calor específic a pressió constant, estat gasós, gas ideal semiperfecte, entre 273 y 1800 K, en kJ/(kmolK):

 

cp = 29,11 - 0,1916 × 10-2 T + 0,4003 × 10-5 T2 - 0,8704 × 10-9 T3

 

Conductivitat tèrmica, estat gasós a 1 atm, entre -160 y 1200 ºC, en W/(mK):

 

kg = 8,096 ´ 10-3 + 6,687 ´ 10-4  T  - 4,157 ´ 10-7  T2 + 1,561 ´ 10-10  T3  

 

Viscositat dinàmica, estat gasós a 1 atm, entre -160 y 1200 ºC, en kg/(ms):

 

mg = 2,187 ´ 10-6 + 2,220 ´ 10-8 T  - 3,751 ´ 10-12 T2  

 

Densitat líquid saturat entre -259 y -240 ºC, en g/cm3:

 

r = 0,0315[0,3473 -n]

 

L'exponent n s'obté a partir de:

                                     

ln n =  0,2857 ln(1 - T/32,95)                               

 

Per exemple, la densitat de l'hidrogen a -250 ºC,

                              

ln n =  0,2857 ln (1 - T/32,95) = 0,2857 ln (1-  23,15/32,95 ) = - 0,34644

 

d'on n = 0,7072

 

r = 0,0315[0,3473 -n] = 0,0315[0,3473-0,7072] = 0,0315 ´ 2,1126 = 0,0665 g/cm3

 

L'efecte Joule-Thomson

 

En una estrangulació adiabàtica es compleix aproximadament,

 

                                                             h1 = h2

 

essent h1 l'entalpia específica del gas abans de l'estrangulació i h2 l'entalpia específica després. Si es tracta d'un gas ideal perfecte Dh = cpDt i per tant t1 = t2. Tractant-se d'un gas real la calor específica a pressió constant depèn de la temperatura i de la pressió i per tant la temperatura no serà constant.

 

Si representem en un diagrama T,p las línies d'entalpia constant la pendent de la corba ve donada por l'expressió,

                                                                   T

                                                            m =( ¾ )h                                                         

                                                                   p

 

que rep el nom de coeficient de Joule-Thomson. Donat que la corba presenta un màxim és fàcil deduir que abans del màxim la pendent és positiva i després negativa. En la figura adjunta hem indicat de forma qualitativa una corba d'entalpia constant en un diagrama T-p. Observeu que una expansió tal com la que va de 3 a 4 produeix un refredament, malgrat això, a una pressió més gran, una expansió tal com la que va de 1 a 2 implica un calentament. Això és el que succeeix en el cas del hidrogen quan passa de pressions molt altes a altres més baixes.