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:

Joule-Thomson Koeffizient Enthalpie ändert sich nicht  isenthalpische Expansion d.h.: dH= 0 für minimale Druck- und Temperaturänderungen gilt:

Joule-Thomson Koeffizient Durch Umformungen erhält man für den Joule- Thomson Koeffizient : cp ist die Wärmekapazität

Joule-Thomson Koeffizient 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 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)

Anwendungen und Folgen Linde Verfahren zur Gasverflüssigung Abkühlung bzw. Vereisung von Gaspipelines Verwendung in Kältemaschinen

Linde Verfahren zur Gasverflüssigung

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

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