Joule-Thomson-Effekt (Bengaali)

Joule-Thomson-Effekt
Vortrag von
Patric Sahling
und Daniela Schuh
Inhalt:
•
Theorie:
• Versuch von Joule-Thomson
• Herleitung der Formel
• Joule-Thomson-Koeffizient
•
Versuch:
• Versuchsaufbau
• Versuchsablauf
• Literaturwerte
•
•
Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts
Literaturquellen
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
Q = R * T * I²
• Trat als einer der ersten für den Satz von der Erhaltung der
Energie ein
proportional ist)
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
p *V  n * R * T
• Sowie
• Innere Energie = 0
 U 

 0
 V T
• Enthalpie = 0
 H

 p

  0
T
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
U  Q  W
da Q  0
 U  W
U 2  U1  p1 *V1  p2 *V2
U1  p1 *V1  U 2  p2 *V2
 H1  H 2
Herleitung der Formel
 H 
 H 

 dp  0
dH  
dT


 T  p
 p T
 H
c p dT  
 p

 dp
T
 H 
mit 
  cp
 T  p
: cp

p
Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten:
 T 

 p  H
T   
 H 


p T

cp
Herleitung der Formel
Um den Zähler näher zu definieren verwendet man den 2.
Hauptsatz der Thermodynamik:
 G 
 G 
  V und 
G  H  T * S wobei 
  S
 T  p
 p T
 H 
 G 
 S 
  G 

  
  T * 
  V  T *
*


p

p

p

p

T

p

T 
T

T
laut Schwarzsch em Satz kehrt man im letzten Term die
Reihenfolg e der Ableitung um.
 H 
  G 
 V 

  V  T *
  V  T * 
* 


p

p

p

T

p

T

T
Somit gilt für den J. - T. Koeffizien ten :
 V 
T *
 V
 T  p
T 
cp
Herleitung der Formel
Die Expansion des betrachteten realen Gases kann
hinreichend genau mit einer vereinfachten Virialgleichung
beschrieben werden.
p *V  R * T  B * p
R  B 
 V 

  

 T  p p  T  p
T 
T*
a
a
b
R *T ²
R *T
cp
wobei B  b -
a
R *T
a
 B 
und 
 
 T  p R * T ²
Joule - Thompson Koeffizient
2*a
b
T  R * T
cp
• 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
Versuchsaufbau
Versuchsaufbau
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Wärmetauscher
Schraubverschluss
PVC Schlauch
Manometer
Druckbehälter
Glasfritte
Behälter mit Umgebungsdruck
Belüftung
Schraubverschluss
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