Post on 06-Apr-2016
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