Joule Thomson Effekt

Joule Thomson Effekt KoeffizientDer Joule Thomson Effekt ist eine Erscheinung die nur bei realen Gasen zu beobachten ist. Beim Joule Thomson Effekt ändert sich die Temperatur eines Gases durch Expansion. Der Effekt wird in der Technik zur Gasverflüssigung eingesetzt.
Prinzip: Zwischen den Gasteilchen bestehen Anziehungskräfte. Wird das Gas unter Druck gesetzt wird Wärmeenergie frei. Wird das Gas entspannt, kommt es zu einer Abkühlung. Im Folgenden werden die Versuche von Joule und Thomson und die Anwendung des Effektes beschrieben.




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Der Joule Thomson Effekt

Das Verhalten realer Gase unter veränderten Wärmebedingungen werden vom Joule Thomson Effekt beschrieben. Die thermischen Veränderungen werden durch Kompression und Entspannung der Gase herbeigeführt. Dies geschieht durch Druckänderungen. Eine Kompression von Gas führt zu einem Temperaturanstieg, während die Entspannung zum Absinken der Wärme führt. Kühlt sich das Gas durch Entspannung ab oder erwärmt es sich bei Kompression wird von einem positiven Joule Thomson Effekt gesprochen. Der negative Effekt besteht in dem Verhalten einiger Gase wie Wasserstoff, Helium oder Neon, die sich bei Ausdehnung erwärmen und bei Kompression abkühlen.

Die Versuche von Joule und Thomson

Die Versuche von Gay-Lussac im 19. Jahrhundert zeigten, dass keine Temperaturänderung zu erkennen war, sollte Luft ohne Wärmefluss und Arbeitsleistung bei sinkendem Druck ein größeres Volumen annehmen.
Die innere Energie war also nicht vom Volumen des Gases abhängig. 1852 überprüften Thomson und Joule diese Tatsache, in dem sie den Druck strömender Luft verringerten.
Das geschah mit einem wärmeisolierten Rohr, durch das die Luft kontinuierlich gepumpt wurde. Auf halber Rohrlänge befand sich eine Blende, die zu einer Drosselung der Luft führte. Am Ende des Rohrs war eine Abkühlung der Luft feststellbar.




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Anwendung des Joule Thomson Effektes

Carl von Linde griff auf den Effekt zu um eine Gasverflüssigung zu erreichen. Das geschieht bei einem positiven Joule-Thomson-Koeffizienten.
In der Linde Maschine zur Gasverflüssigung wird Luft durch ein Drosselventil von 200 bar auf 20 bar entspannt, was zu einer Abkühlung um 45 Kelvin führt. Mit der gekühlten Luft wird weitere komprimierte Luft gekühlt, und das vor der Entspannung. In mehreren Entspannungsaktionen wird das Gas so abgekühlt, dass es sich verflüssigt.
Hat das Gas einen negativen Effektkoeffizienten wird nicht mit dem Lindeverfahren zur Gasverflüssigung gearbeitet.
Neben der Verflüssigung von Gas wird es zum Beispiel bei der Abkühlung von Softeis oder beim Aufschäumen aus einer Druckflasche oder beim Wassergefrieren in der Schneekanone genutzt.




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Der Joule-Thomson-Koeffizient

Der Koeffizient gibt an, wie sich die Temperatur in ihrer Stärke und ihrer Richtung ändert. Seine Ursache hat der Effekt in der Wechselwirkung, der die Gasteilchen unterworfen sind. Die Teilchen können sich anziehen oder abstoßen. Das wird durch die Druck- und Temperaturänderung verursacht.