Joule-Thomson-Effekt

• Theorie:

• Versuch von Joule-Thomson• Herleitung der Formel • Joule-Thomson-Koeffizient

• Versuch:

• Versuchsaufbau• Versuchsablauf• Literaturwerte

• Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts• Literaturquellen

Inhalt:

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

TRnVp ***

0

TVU

0

TpH

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

Herleitung der Formel

• Ein Gas welches von Druck p1 auf Druck p2 adiabatisch expandiert wird leistet Arbeit

21

222111

221112

H ****

0 Q daW Q U

HVpUVpUVpVpUU

WU

Herleitung der Formel

p c:

mit 0

p

dppHdTc

cTHdp

pHdT

THdH

Tp

ppTp

Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten:

p

T

HT c

pH

pT

Herleitung der Formel

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

p

p

pTT

pTTT

pT

c

VTVT

TVTV

pG

pTV

pH

TG

pTV

pST

pG

pH

STGV

pGSTHG

*

:tenKoeffizien T.-J.den für gilt Somit

***

um. Ableitungder eReihenfolgdie Termletzten imman kehrt Satz emSchwarzschlaut

***

und wobei*

T

Herleitung der Formel

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

pT

ppp

cTRab

TRaT

TRa

TB

TB

pR

TV

pBTRVp

*²**

²* und

T*Ra-bB wobei ***

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

pT c

bTRa

**2

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.

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.

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