Joule-Thomson Experiment

1. Joule-Thomson Experiment Von Christina Müllauer und Tanja Handler

2. James-prescottjoule • 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 • 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

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 • www.uni-marburg.de • www.pci.tu-bs.de/medien/joule-thomson-effekt.pdf • wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren