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Joule-Thomson-Effekt. Theorie: Versuch von Joule-Thomson Herleitung der Formel Joule-Thomson-Koeffizient Versuch: Versuchsaufbau Versuchsablauf Literaturwerte.

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1 Joule-Thomson-Effekt

2 Theorie: Versuch von Joule-Thomson Herleitung der Formel Joule-Thomson-Koeffizient Versuch: Versuchsaufbau Versuchsablauf Literaturwerte Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts Literaturquellen Inhalt:

3 James Prescoutt Joule Lebte von 1818 – 1898 Engl. Naturforscher und Physiker Erhielt neben der Arbeit in der elterlichen Brauerei Unterricht in Mathematik und Naturwissenschaften bei Dalton Mit 22 veröffentlichte er seine erste Abhandlung über das Stromwärme-Gesetzt  Joule‘sche Gesetzt (Sagt aus, das die Wärme die in einem Stromdurchflossenen Draht entsteht, der Größe des Wiederstandes (R ), der Zeit (T) und dem Quadrat der Stromstärke proportional ist) Q = R * T * I² Trat als einer der ersten für den Satz von der Erhaltung der Energie ein

4 William Thomson Späterer Lord Kelvin (ab 1892) Lebte von 1824 – Professor für Naturphilosophie und theoretischer Physik in Glasgow Mitbegründer der Thermodynamik Definition der absoluten Temperatur Wandte die Thermodynamik auf elektrische, magnetische und elastische Erscheinungen an

5 Laut Gay-Lussac gilt: Das Volumen eines Gases nimmt bei konstantem Druck und steigender Temperatur linear zu. Die innere Energie eines idealen Gases hängt nicht von Volumen oder Druck ab, sondern nur von der Temperatur.

6 Versuch Joule Thomson Zunächst hat Joule den Versuch über die Drosselung der Gase von Gay-Lussac verbessert Dann mit Thomson (1853) wie folgt durchgeführt: Ein Gas über Glasfritte, Ton oder Filz (  Poröses Material) geleitet und die Temp. vorher und nachher gemessen.

7 Herleitung der Formel Für ideale Gase gilt Sowie Innere Energie = 0 Enthalpie = 0

8 Herleitung der Formel Für Reale Gase gilt dies nicht da Anziehungs- und Abstoßungskräfte überwunden werden müssen Ein reales Gas muss bei einer adiabatischen Expansion in ein Vakuum seine Temperatur ändern. Die meisten Gase erniedrigen ihre Temperatur Ausnahmen sind z.B: H 2, He

9 Herleitung der Formel Ein Gas welches von Druck p 1 auf Druck p 2 adiabatisch expandiert wird leistet Arbeit

10 Herleitung der Formel Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten:

11 Herleitung der Formel Um den Zähler näher zu definieren verwendet man den 2. Hauptsatz der Thermodynamik:

12 Herleitung der Formel Die Expansion des betrachteten realen Gases kann hinreichend genau mit einer vereinfachten Virialgleichung beschrieben werden.

13 Joule - Thompson Koeffizient Koeffizient negativ  folgt eine Temperaturerhöhung Koeffizient positiv  folgt eine Temperaturerniedrigung Koeffizient = 0  keine Temperaturänderung (ideales Verhalten) Bei der Inversionstemperatur T i = 2a/Rb erfolgt der Vorzeichenwechsel

14 Versuchsaufbau

15 1Wärmetauscher 2Schraubverschluss 3PVC Schlauch 4Manometer 5Druckbehälter 6Glasfritte 7Behälter mit Umgebungsdruck 8Belüftung 9Schraubverschluss 10Schlaucholive

16 Versuchsablauf Aus einer Gasflasche wird Gas in die Apparatur geleitet. Im Praktikum sind das CO 2 und N 2 Mit Hilfe einer Stellschraube wird der Druck im Expansionsgefäß langsam in 100 mbar Schritten erhöht Der Temperaturausgleich wird abgewartet.

17 Literaturwerte Joule Thomson Koeffizienten für die im Praktikum verwendeten Gase: –µ(CO 2 ) = 1.10 K/bar –µ(N 2 ) = 0.27 K/bar

18 Technische Anwendung Gewinnung von flüssigem Sauerstoff  Das Linde Verfahren kann ebenso für andere Gase verwendet werden.

19 Technische Anwendung Das Verfahren arbeitet nach dem Gegenstromprinzip Das Komprimierte Gas wird durch das bereits entspannte und abgekühlte Gas vorgekühlt. Dadurch erfolgt weitere Abkühlung rascher und es tritt eine schnellere Verflüssigung ein.

20 Technische Anwendung Für Sauerstoff gilt: –Die Luft muss Wasser und CO 2 rein sein –Auf 200 bar komprimiert und mittels eines Drosselventils wieder entspannt. –Mit der bereits abgekühlten Luft wird die nachkommende vorgekühlt.  Es kommt zur Verflüssigung. Stickstoff bleibt aufgrund des niedrigeren Siedepunktes Gasförmig.

21 Literaturquellen Skript PC I, J. Kleffmann Wedler Lehrbuch der Physikalischen Chemie, zweite Auflage, 1985 Kortüm, Lachmann, Einführung in die Chemische Thermodynamik, 7. Auflage 1981 Internet


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