Joule-Thomson Experiment

Präsentation zum Thema: "Joule-Thomson Experiment"—  Präsentation transkript:

1 Joule-Thomson Experiment
Von Christina Müllauer und Tanja Handler

2 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

3 Sir William Thomson Lebte 1824- 1907 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 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

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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 Joule-Thomson Koeffizient

13 Joule-Thomson Koeffizient
Ein Gas, das von einem Druck p1 zu einem Druck p2 adiabatisch expandiert wird, leistet eine Arbeit. Es gilt:

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

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

16 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

17 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)

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

19 Linde Verfahren zur Gasverflüssigung

20 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

21 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

22 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

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