Joule-Thomson-Effekt

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Joule-Thomson-Effekt

• Vortrag von
• Patric Sahling
• und Daniela Schuh

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Inhalt

• Theorie
• Versuch von Joule-Thomson
• Herleitung der Formel
• Joule-Thomson-Koeffizient
• Versuch
• Versuchsaufbau
• Versuchsablauf
• Literaturwerte
• Technischer Einsatz des J.-T.- Effekts
• Literaturquellen

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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 ? Joulesche 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

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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

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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.

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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.

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Herleitung der Formel

• Für ideale Gase gilt
• Sowie
• Innere Energie 0
• Enthalpie 0

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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

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Herleitung der Formel

• Ein Gas welches von Druck p1 auf Druck p2
  adiabatisch expandiert wird leistet Arbeit

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Herleitung der Formel
Daraus folgt für den Joule Thomson Koeffizienten
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Herleitung der Formel
Um den Zähler näher zu definieren verwendet man
den 2. Hauptsatz der Thermodynamik
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Herleitung der Formel
Die Expansion des betrachteten realen Gases kann
hinreichend genau mit einer vereinfachten
Virialgleichung beschrieben werden.
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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

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Versuchsaufbau
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Versuchsaufbau

• 1 Wärmetauscher
• 2 Schraubverschluss
• 3 PVC Schlauch
• 4 Manometer
• 5 Druckbehälter
• 6 Glasfritte
• 7 Behälter mit Umgebungsdruck
• 8 Belüftung
• 9 Schraubverschluss
• 10 Schlaucholive

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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.

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Literaturwerte

• Joule Thomson Koeffizienten für die im Praktikum
  verwendeten Gase
• µ(CO2) 1.10 K/bar
• µ(N2) 0.27 K/bar

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Technische Anwendung

• Gewinnung von flüssigem Sauerstoff
• ? Das Linde Verfahren kann ebenso für andere Gase
  verwendet werden.

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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.

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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.

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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