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Joule-Thomson-Effekt

Der Joule-Thomson-Effekt,
Der Joule-Thomson-Effekt beschreibt das thermische Verhalten von realen Gasen bei Druckänderung. Bei Kompression oder Entspannung eines Gases ändert sich dessen Temperatur.
Im Allgemeinen kühlen sich Gase bei Entspannung ab während sie sich bei Kompression erwärmen. Dieses Verhalten wird als positiver Joule-Thomson-Effekt beschrieben. Einige Gase erwärmen sich bei Ausdehnung und kühlen sich bei Kompression ab. Ihr Verhalten zeigt einen negativen Joule-Thomson-Effekt.

Der Joule-Thomson-Effekt kommt bei der Verflüssigung von Luft nach dem Karl von Linde Verfahren zum Einsatz. Abseits der Gasverflüssigung, beschäftigt Taucher dieser Effekt ebenfalls, da die Tauchgase bzw. Tachgasgemische bei hohen Drücken gespeichert und bei niedrigen Drücken eingeatmet werden.

Joule-Thomson-Koeffizient
Der Joule-Thomson-Koeffizient μ beschreibt die Stärke und Richtung der Temperaturänderung.
Ursächlich für den Joule-Thomson-Effekt ist die Wechselwirkung der Gasteilchen, die sich je nach Bedingung anziehen oder abstoßen können. Maßgeblich für die Abstoßungs- oder Anziehungsreaktionen der Teilchen ist die Temperatur des Gases. Diese Abhängigkeit der realen Gase wird durch die Inversionstemperatur Ti beschrieben. Ti steht also für den Zusammenhang zwischen Druck- und Temperaturänderung eines realen Gases bei der adiabatischen Entspannung.

T < Ti Abkühlung bei Entspannung


T > Ti Erwärmung bei Entspannung

Inversionstemperatur

Van der Waal Konstanten

Zur Berechnung der van der Waal Konstanten (vdw Konstanten) a und b ergibt sich nach Umstellung verschiedener thermodynamischer Gleichungen ein einfacher Ansatz, der lediglich verschiedene bekannte Parameter der Gase bei kritischen Zuständen abfordert.

Van-der-Waal-Konstanten

Die Tabelle zeigt exemplarisch die berechneten Wert für den Joule-Thomson-Koeffizienten für verschiedene Gase. In der Literatur werden teilweise abweichende Werte genannt. Ein Problem dieser Gleichungen ist jedoch, dass die Konstanten a und b nur durch die kritischen Daten der Gase ermittelt werden. Bessere Werte für die Konstanten a und b erhält man, wenn man die p Vm gegen die p Kurve über dem gesamten Verlauf auswertet.

Stoffwerte von Gasen Van der Waal Konstante * **
Gas cp M pk Tk a b Ti µ
  kJ/kmol K kg / kmol bar abs. K Nm4/kmol2 m3/kmol K K/bar
Kohlendioxid 37,13 44,010 73,825 304,21 365585,65 0,0428 2053,41 0,68
Stickstoff 29,12 28,013 33,991 126,26 136777,05 0,0386 852,26 0,246
Wasserstoff 28,84 2,016 12,838 32,938 24645,79 0,0267 222,33 -0,024
Sauerstoff 29,38 31,999 50,43 154,581 138187,54 0,0319 1043,42 0,28
Argon 20,84 39,948 49,058 150,86 135295,70 0,0320 1018,3 0,38
Helium 20,79 4,003 2,2746 5,2014 3468,81 0,0238 35,1 -0,101
Luft 29,08 28,965 37,75 132,42 135467,72 0,0365 893,83 0,26

R = 8314,4 J/kmol K

Bezugstemperatur = 298,15 K (25°C)

* Ti:Inversionstemperatur

** µ: Joule-Thomson-Koeffizient

 

 

Stoffwerte von Gasen
Gas cp M pk Tk/td>
  kJ/kmol K kg / kmol bar abs. K
Kohlendioxid 37,13 44,010 73,825 304,21
Stickstoff 29,12 28,013 33,991 126,26
Wasserstoff 28,84 2,016 12,838 32,938
Sauerstoff 29,38 31,999 50,43 154,581
Argon 20,84 39,948 49,058 150,86
Helium 20,79 4,003 2,2746 5,2014
Luft 29,08 28,965 37,75 132,42

 

Gas Van der Waal Konstante * **
  a b Ti µ
  Nm4/kmol2 m3/kmol K K/bar
Kohlendioxid 365585,65 0,0428 2053,41 0,68
Stickstoff 136777,05 0,0386 852,26 0,246
Wasserstoff 24645,79 0,0267 222,33 -0,024
Sauerstoff 138187,54 0,0319 1043,42 0,28
Argon 135295,70 0,0320 1018,3 0,38
Helium 3468,81 0,0238 35,1 -0,101
Luft 135467,72 0,0365 893,83 0,26

R = 8314,4 J/kmol K

Bezugstemperatur = 298,15 K (25°C)

* Ti:Inversionstemperatur

** µ: Joule-Thomson-Koeffizient

Weitere van der Waal Konstanten

 

 

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