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

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