Joule-Thomson-Effekt

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

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

William Thomson Späterer Lord Kelvin (ab 1892) Lebte von 1824 – 1907 1846-1899 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

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.

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.

Herleitung der Formel Für ideale Gase gilt Sowie Innere Energie = 0 Enthalpie = 0 Um zu einer allgemeinen Formel zu gelangen muss man über das Verhalten von Gasen bescheid wissen.

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: H2, He Innere Energie und Enthalpie müssen Volumen und Druckabhängig sein. Punkt 2) lässt sich experimentell nicht nachprüfen aber mit Joule Thompson Versuch

Herleitung der Formel Ein Gas welches von Druck p1 auf Druck p2 adiabatisch expandiert wird leistet Arbeit Joule, Thomson haben ein Gas durch Drossel Expandieren lassen. Das Gas wird durch p1 durch die Drossel gedrückt und verrichtet die Arbeit p1V1. Die gleiche Gasmenge strömt nun gegen p2(Atmosphärendruck)  Gas leistet Arbeit

Herleitung der Formel Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten:

Herleitung der Formel Um den Zähler näher zu definieren verwendet man den 2. Hauptsatz der Thermodynamik: G wird abgeleitet nach T und P G nach T abgeleitet bringt das Volumen in die Formel! V um mit der Gasgleichung das epsilon näher bestimmen zu können!

Herleitung der Formel Die Expansion des betrachteten realen Gases kann hinreichend genau mit einer vereinfachten Virialgleichung beschrieben werden. Die Gasgleichung wird nach V umgestellt und dann nach T abgeleitet! B mit den Van der Waals Koeffizienten enthält die Temperatur und muss daher nach T abgeleitet werden.

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

Versuchsaufbau

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

Versuchsablauf Aus einer Gasflasche wird Gas in die Apparatur geleitet. Im Praktikum sind das CO2 und N2 Mit Hilfe einer Stellschraube wird der Druck im Expansionsgefäß langsam in 100 mbar Schritten erhöht Der Temperaturausgleich wird abgewartet.

Literaturwerte Joule Thomson Koeffizienten für die im Praktikum verwendeten Gase: µ(CO2) = 1.10 K/bar µ(N2) = 0.27 K/bar

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

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. Die Gewinnung von Sauerstoff erfolgt durch fraktionierte Destillation nach Carl von Linde. Luft wird von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, auf 200 bar komprimiert und mittels eines Drosselventils wieder entspannt, wodurch sie sich durch den Joule- Thomson-Effekt abkühlt. Mit dieser weiter abgekühlten Luft wird die nachkommende, verdichtete Luft vorgekühlt. Die Temperatur sinkt immer mehr, bis schließlich bei der Entspannung Verflüssigung eintritt. Stickstoff hat einen niedrigeren Siedepunkt und bleibt daher gasförmig.

Technische Anwendung Für Sauerstoff gilt: Die Luft muss Wasser und CO2 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. Die Gewinnung von Sauerstoff erfolgt durch fraktionierte Destillation nach Carl von Linde. Luft wird von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, auf 200 bar komprimiert und mittels eines Drosselventils wieder entspannt, wodurch sie sich durch den Joule- Thomson-Effekt abkühlt. Mit dieser weiter abgekühlten Luft wird die nachkommende, verdichtete Luft vorgekühlt. Die Temperatur sinkt immer mehr, bis schließlich bei der Entspannung Verflüssigung eintritt. Stickstoff hat einen niedrigeren Siedepunkt und bleibt daher gasförmig.

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