Joule-Thomson

Joule-Thomson-Effekt
1) Definition
Temperaturänderung bei der Expansion eines idealen Gases durch eine poröse Wand
(Drosselung) unter adiabatischen und isenthalpischen Bedingungen.
2) Deutung des Effekts
Bei realem Gas kommt es abhängig von der Umgebungstemperatur entweder zu
Abkühlung oder Erwärmung.
Abkühlung :
- attraktive Kräfte müssen überwunden werden
- dazu nötige Energie muss dem Gas entzogen werden
Erwärmung:
- Bei Expansion wird die Energie, die für die Abstoßung gebraucht wird an das
Gas abgegeben
Es gilt : ΔU = Δq und HE = HA
Gilt nicht für ideale Gase!!!
- Definition des idealen Gases setzt keine Wechselwirkung zwischen den
Teilchen voraus
Bei Expansion eines idealen Gases ins Vakuum würde keine Änderung der inneren Energie
stattfinden.
3)Der Joule-Thomson-Koeffizient
(δT/δp)H = μ
μ steht für den Zusammenhang zwischen Druck- & Temperaturänderung eines realen Gases
bei adiabatischer Entspannung und konstanter Enthalpie.
Reale Gase: μ≠ 0
Ideales Gas: μ= 0
Mara Meub
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4)Messung des Joule-Thomson-Koeffizient
q = 0  ΔU = w
w1 = - pA (0-VA) = pAVA
w2 = - pE (VE – 0) = - pEVE
wGes = w1 + w2
= pAVA - pEVE
UE – UA = w = pAVA - pEVE
UE + pEVE = UA + pAVA
Da H = U + pV
 HE = HA
Gemessene Größe = Verhältnis der Temperatur- zur
Druckänderung
 (δT/δp)H = μ
5)Der isotherme Joule-Thomson-Koeffizient
μT = (δH/δp)T
μT :
Steigung des Graphen
von H als Funktion von
p bei T = const
6)Zusammenhang zwischen den beiden Koeffizienten
μT = (δH/δp)T
- Cpμ= (δH/δp)T
μT = - Cpμ
Mara Meub
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7)Vorzeichen des μT & Inversionstemperatur Ti
Ti = 2a/Rb
Es gilt:
T < Ti  μ > 0
Abkühlung bei Expansion
T > Ti  μ < 0
Erwärmung bei Expansion
Der Vorzeichenwechsel erfolgt bei der jeweiligen Inversionstemperatur eines Stoffes.
Die Inversionstemperatur ist also diejenige Temperatur bei der die Abkühlung in eine
Erwärmung umschlägt.
Ti lässt sich näherungsweise aus den Konstanten a und b der Van-der-Waals-Gleichung
berechnen.
Tiefe Inversionstemperaturen werden durch kleine Werte der Konstanten a verursacht
hängen mit der geringen Größe der Van-der-Waals-Kräfte bei diesen Gasen zusammen.
Solche Gase lassen sich nur dann unter Benutzung des Joule-Thomson-Effekt verflüssigen,
wenn sie vorher unter die jeweilige Inversionstemperatur abgekühlt wurden.
8)Anwendungsbeispiel: Linde Verfahren
Die Gewinnung von Sauerstoff erfolgt durch fraktionierte Destillation.
Luft wird von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, auf 200 bar komprimiert und durch ein
Drosselventil wieder entspannt kühlt sich durch den Joule-Thomson-Effekt ab.
Mit dieser abgekühlten Luft wird die nachkommende, verdichtete Luft vorgekühltDie Temperatur sinkt immer mehr, bis bei Expansion Verflüssigung eintritt.
Mara Meub
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