JOULE-THOMSON EXPERIMENT

Von Christina Müllauer und Tanja Handler

JAMES-PRESCOTT JOULE Lebte 1818-1889

Englischer Naturforscher und Physiker

Studierte Mathematik und Physik

Formulierte das Joulesche Gesetz: die in einem elektrischen Widerstand erzeugte Wärme ist proportional zu der dort umgesetzten elektrischen Leistung und Dauer bzw. Q=U*I*Δt

1847: Beginn der Zusammenarbeit mit Thomson

SIR WILLIAM THOMSON Lebte 1824- 1907

In Irland geborener Physiker

1846- 1899 Professor in Glasgow

Beschäftige sich hauptsächlich mit Elektrizitätslehre und Thermodynamik

Absolute Kelvin-Skala: seit 1968 gesetzlich festgelegte SI-Einheit der Temperatur

70 Patente

ALLGEMEINE INFORMATIONEN ZUM VERSUCH

Vorarbeiten durch Joseph-Louis-Gay-Lussac, welcher Gesetz von Amotons postulierte

Volumen eines Gases nimmt bei konstantem Druck und steigender Temperatur linear zu

Joule hat Versuch verbessert über die Drosselung der Gase

1853 Joule-Thomson-Experiment durchgeführt

VERSUCHSAUBAU 1 Wärmetauscher 2

Schraubverschluss 3 PVC Schlauch 4 Manometer 5 Druckbehälter 6 Glasfritte 7 Behälter mit Umgebungsdruck 8 Belüftung 9

Schraubverschluss 10 Schlaucholive

DURCHFÜHRUNG Gas strömt über ein Druckminderventil in

Druckkammer

Druckminderventil so eingestellt, dass sich im stationären Zustand ein Überdruck einstellt

Druck am Manometer ablesen

Mittels Platinwiderstand wird Temperatur des Gases gemessen

DURCHFÜHRUNG Durch Drosselung mittels eines porösen

Materials expandiert Gas in 2.Druckkammer

2.Druckkammer steht unter Atmosphärendruck

Mittels 2.Platinwiderstand wird Temperatur des Gases nach Expansion gemessen

DURCHFÜHRUNG Da die Anordnung aus Glas ist (schlechte

Wärmeleitung) kann Entspannungsprozess als adiabatisch bezeichnet werden

Adiabatisch= Wechselwirkung ohne Wärmeaustausch

Gas kühlt beim Entspannungsprozess ab oder erwärmt sich

Hängt von Joule-Thomson Koeffizienten ab

ENTHALPIE Maß für Energie eines thermodynamischen

Systems

Wird mit H bezeichnet

Einheit Joule

Setzt sich aus innerer Energie U und Volumenarbeit p*V zusammen

H = U + p*V

IDEALES GAS Idealisierte Modellvorstellung

Gasteilchen wechselwirken nicht miteinander

Zustandsgleichung: p*V = n*R*T

Innere Energie U und Enthalpie H nicht von Volumen und Druck abhängig

Für eine gegebene Menge eines idealen Gases gilt bei fester Temperatur, dass die Ableitungen der Enthalpie und inneren Energie nach Druck und Volumen verschwinden

REALES GAS

Wechselwirkungen von Gasmolekülen

Anziehungs- und Abstoßungskräfte müssen gegebenenfalls überwunden werden

Drosselt man ein reales Gas, dann expandiert es => mittlere Teilchenabstand erhöht sich und Temperatur des Gases ändert sich

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT Ein Gas, das von einem Druck p1 zu einem

Druck p2 adiabatisch expandiert wird, leistet eine Arbeit. Es gilt:

21

222111

221112

H ****

0 Q daW Q U

HVpUVpUVpVpUU

WU

Enthalpie ändert sich nicht isenthalpische Expansion

d.h.: dH= 0

für minimale Druck- und Temperaturänderungen gilt:

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT

0

dppHdT

THdH

Tp

Durch Umformungen erhält man für den Joule-Thomson Koeffizient :

cp ist die Wärmekapazität

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT

T

pp

cTH

mit

p

T

HT c

pH

pT

Durch Vereinfachungen und Annäherungen kann man den J.-T.-Koeffizienten auch wie folgt darstellen:

R…Gaskonstante a... Kohäsionsdruck b… Covolumen a, b sind die sogenannten Van-der-Waals

Konstanten

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT

pT c

bTRa

*

*2

Bei der Inversionstemperatur Ti = 2a/Rb erfolgt der Vorzeichenwechsel d.h.: Abkühlung schlägt um in Erwärmung

T > Ti μT < 0 Temperaturerhöhung

T < Ti μT > 0 Temperaturerniedrigung

μT = 0 keine Temperaturänderung (ideales

Verhalten)

JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT

Linde Verfahren zur Gasverflüssigung

Abkühlung bzw. Vereisung von Gaspipelines

Verwendung in Kältemaschinen

ANWENDUNGEN UND FOLGEN

LINDE VERFAHREN ZUR GASVERFLÜSSIGUNG

Gas wird komprimiert und anschließend vorgekühlt

Das so vorbereitete Gas wird gedrosselt und so aufgrund des Joule-Thomson-Effekts abgekühlt

Das Verfahren arbeitet nach dem Gegenstromprinzip, d.h., dass das komprimierte Gas durch das bereits entspannte und abgekühlte Gas vorgekühlt wird

Dadurch erfolgt weitere Abkühlung rascher und es tritt eine schnellere Verflüssigung ein

LINDE VERFAHREN ZUR GASVERFLÜSSIGUNG

Nach einigen Zyklen sinkt die Temperatur unter die Siedetemperatur Gas wird flüssig

Bsp.: Bei Luftverflüssigung kann man durch dieses Verfahren die Luft in seine Bestandteile aufspalten, aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte

LINDE VERFAHREN ZUR GASVERFLÜSSIGUNG

ABKÜHLUNG VON ERDGAS-PIPLINES

Wegen des hohen Massestroms, kann es unter Druckabfall zu einer UNERWÜNSCHTEN Vereisung von Pipelines kommen. (aufgrund von Joule-Thomson Effekt)

Vorbeugung: vor der Druckreduzierung wird das Gas erwärmt, sodass es zu keiner Vereisung kommt

Druckdifferenz nur 12bar muss nicht zuvor erwärmt werden

QUELLEN wikipedia.org/wiki/ Joule-Thomson-Effekt

Demtröder „Experimentalphysik 1“, Springer Verlag, 5.Auflage

www.uni-marburg.de

www.pci.tu-bs.de/medien/joule-thomson-effekt.pdf

wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren