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J OULE -T HOMSON E XPERIMENT Von Christina Müllauer und Tanja Handler.

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Präsentation zum Thema: "J OULE -T HOMSON E XPERIMENT Von Christina Müllauer und Tanja Handler."—  Präsentation transkript:

1 J OULE -T HOMSON E XPERIMENT Von Christina Müllauer und Tanja Handler

2 J AMES - PRESCOTT JOULE Lebte 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

3 S IR W ILLIAM T HOMSON Lebte In Irland geborener Physiker Professor in Glasgow Beschäftige sich hauptsächlich mit Elektrizitätslehre und Thermodynamik Absolute Kelvin-Skala: seit 1968 gesetzlich festgelegte SI-Einheit der Temperatur 70 Patente

4 A LLGEMEINE I NFORMATIONEN ZUM V ERSUCH 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

5 V ERSUCHSAUBAU 1Wärmetauscher 2Schraubverschluss 3PVC Schlauch 4Manometer 5Druckbehälter 6Glasfritte 7Behälter mit Umgebungsdruck 8Belüftung 9Schraubverschluss 10Schlaucholive

6 D URCHFÜHRUNG 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

7 D URCHFÜHRUNG 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

8 D URCHFÜHRUNG 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

9 E NTHALPIE 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

10 I DEALES G AS 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

11 R EALES G AS 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

12 J OULE -T HOMSON K OEFFIZIENT

13 Ein Gas, das von einem Druck p 1 zu einem Druck p 2 adiabatisch expandiert wird, leistet eine Arbeit. Es gilt:

14 Enthalpie ändert sich nicht isenthalpische Expansion d.h.: dH= 0 für minimale Druck- und Temperaturänderungen gilt: J OULE -T HOMSON K OEFFIZIENT

15 Durch Umformungen erhält man für den Joule- Thomson Koeffizient : c p ist die Wärmekapazität J OULE -T HOMSON K OEFFIZIENT

16 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 J OULE -T HOMSON K OEFFIZIENT

17 Bei der Inversionstemperatur T i = 2a/Rb erfolgt der Vorzeichenwechsel d.h.: Abkühlung schlägt um in Erwärmung T > T i μ T < 0 Temperaturerhöhung T 0 Temperaturerniedrigung μ T = 0 keine Temperaturänderung (ideales Verhalten) J OULE -T HOMSON K OEFFIZIENT

18 Linde Verfahren zur Gasverflüssigung Abkühlung bzw. Vereisung von Gaspipelines Verwendung in Kältemaschinen A NWENDUNGEN UND F OLGEN

19 L INDE V ERFAHREN ZUR G ASVERFLÜSSIGUNG

20 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 L INDE V ERFAHREN ZUR G ASVERFLÜSSIGUNG

21 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 L INDE V ERFAHREN ZUR G ASVERFLÜSSIGUNG

22 A BKÜHLUNG VON E RDGAS - 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

23 Q UELLEN wikipedia.org/wiki/ Joule-Thomson-Effekt Demtröder Experimentalphysik 1, Springer Verlag, 5.Auflage effekt.pdf wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren


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