Post on 06-Apr-2015
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:
21
222111
221112
H
**
**
0 Q daW Q U
H
VpUVpU
VpVpUU
WU
Enthalpie ändert sich nicht isenthalpische Expansion
d.h.: dH= 0
für minimale Druck- und Temperaturänderungen gilt:
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
0
dpp
HdT
T
HdH
Tp
Durch Umformungen erhält man für den Joule-Thomson Koeffizient :
cp ist die Wärmekapazität
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
T
pp
cT
H
mit
p
T
H
T c
pH
p
T
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
pT c
bTR
a
*
*2
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)
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
Linde Verfahren zur Gasverflüssigung
Abkühlung bzw. Vereisung von Gaspipelines
Verwendung in Kältemaschinen
ANWENDUNGEN UND FOLGEN
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
LINDE VERFAHREN ZUR GASVERFLÜSSIGUNG
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