Joule-Thomson Experiment

JOULE-THOMSON EXPERIMENT
Von Christina Müllauer und Tanja Handler
JAMES-PRESCOTT JOULE
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Lebte 1818-1889
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Englischer Naturforscher und Physiker
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Studierte Mathematik und Physik
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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
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Lebte 1824- 1907
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In Irland geborener Physiker
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1846- 1899 Professor in Glasgow
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Beschäftige sich hauptsächlich mit Elektrizitätslehre
und Thermodynamik
Absolute Kelvin-Skala: seit 1968 gesetzlich
festgelegte SI-Einheit der Temperatur
70 Patente
ALLGEMEINE INFORMATIONEN ZUM
VERSUCH
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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
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Wärmetauscher
Schraubverschluss
PVC Schlauch
Manometer
Druckbehälter
Glasfritte
Behälter mit
Umgebungsdruck
8
Belüftung
9
Schraubverschluss
 10 Schlaucholive
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DURCHFÜHRUNG
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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
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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
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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
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Maß für Energie eines thermodynamischen
Systems
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Wird mit H bezeichnet
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Einheit Joule
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Setzt sich aus innerer Energie U und
Volumenarbeit p*V zusammen
H = U + p*V
IDEALES GAS
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Idealisierte Modellvorstellung
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Gasteilchen wechselwirken nicht miteinander
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Zustandsgleichung: p*V = n*R*T
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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
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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
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Ein Gas, das von einem Druck p1 zu einem Druck
p2 adiabatisch expandiert wird, leistet eine
Arbeit. Es gilt:
U  Q  W

da  Q  0
U  W
U 2  U 1  p 1 * V1  p 2 * V 2
U 1  p 1 * V1  U 2  p 2 * V 2

H1  H 2
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
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Enthalpie ändert sich nicht
 isenthalpische Expansion
d.h.: dH= 0
für minimale Druck- und Temperaturänderungen
gilt:
 H
 H 
dH  
 dT  
 T  p
 p

 dp  0
T
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
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Durch Umformungen erhält man für den JouleThomson Koeffizient  T :
 T 
 T
 
 p

  
H
 H

 p
 H 
mit 
  cp
 T  p
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cp ist die Wärmekapazität
cp


T
JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
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Durch Vereinfachungen und Annäherungen kann
man den J.-T.-Koeffizienten auch wie folgt
darstellen:
2*a
b
T  R *T
cp
R…Gaskonstante
 a... Kohäsionsdruck
 b… Covolumen
 a, b sind die sogenannten Van-der-Waals
Konstanten
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JOULE-THOMSON KOEFFIZIENT
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Bei der Inversionstemperatur Ti = 2a/Rb erfolgt
der Vorzeichenwechsel
 d.h.: Abkühlung schlägt um in Erwärmung
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T > Ti  μT < 0  Temperaturerhöhung
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T < Ti  μT > 0  Temperaturerniedrigung
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μT = 0  keine Temperaturänderung
(ideales Verhalten)
ANWENDUNGEN UND FOLGEN
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Linde Verfahren zur Gasverflüssigung
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Abkühlung bzw. Vereisung von Gaspipelines
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Verwendung in Kältemaschinen
LINDE VERFAHREN ZUR
GASVERFLÜSSIGUNG
LINDE VERFAHREN ZUR
GASVERFLÜSSIGUNG
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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
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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
ABKÜHLUNG VON ERDGAS-PIPLINES
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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
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wikipedia.org/wiki/ Joule-Thomson-Effekt
Demtröder „Experimentalphysik 1“, Springer
Verlag, 5.Auflage
www.uni-marburg.de
www.pci.tu-bs.de/medien/joule-thomsoneffekt.pdf
wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren