Joule-Thomson-Effekt        [ zurück ]      [ Stichworte ]      [ Die Hyper-Bibliothek ]      [ Systemtheorie ]         [ Meine Bücher ]         [ Meine Blogs ]
 

Als Joule-Thomson-Effekt bezeichne ich die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung. Die Richtung und Stärke des Effekts wird durch die Stärke der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Gasmolekülen bestimmt. Unter Normalbedingungen gilt für die meisten Gase und Gasgemische, z. B. für Luft, dass die Temperatur bei der Entspannung sinkt. Dagegen steigt sie z. B. bei Wasserstoff, Helium, Neon. In einem idealen Gas gibt es keine molekularen Kräfte, infolgedessen zeigt es keinen Joule-Thomson-Effekt. Der Joule-Thomson-Effekt spielt eine wichtige Rolle in der Thermodynamik von Gasen. Beispiele von Auftreten und Anwendungen: ##Abkühlung von Sodawasser, Schlagsahne und Softeis beim Ausschäumen aus einer Druckflasche ##Gefrieren von Wasser in Beschneiungsanlagen, sogenannten Schneekanonen. Insbesondere bei Druckluftkanonen und Schneelanzen. ##Herstellung von Trockeneis beim Zahnarzt oder beim Trockeneisstrahlen (siehe Sandstrahlen) ##Gasverflüssigung im Linde-Verfahren Konstruktion,

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Die Wärmepumpe (WP) ist eine Maschine, die Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau unter Energiezufuhr auf ein höheres Temperaturniveau transportiert. Die WP entzieht also der Umgebung Wärme, bringt diese mit Hilfe von Kompressoren auf eine höhere Temperatur und gibt sie an das Heizsystem oder die Warmwasseraufbereitung ab. Physikalisch korrekt ausgedrückt fördert die WP Entropie aus einem System mit tiefer Temperatur in ein System mit hoher Temperatur. Weil der zugeordnete Energiestrom bei tiefer Temperatur kleiner ist als bei hoher, muss die WP dem Entropiestrom eine Prozessleistung zuführen. Eine WP darf als rückwärts laufende Wärmekraftmaschine angesehen werden.

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============= In der Thermodynamik wird eine Zustandsänderung als isenthalp bezeichnet, bei der sich die Enthalpie H {\displaystyle H} H nicht ändert: H = const. ⇔ d H = 0 ⇔ δ Q + V ⋅ d p = 0 ⇔ δ Q = − V ⋅ d p {\displaystyle {\begin{aligned}H&={\text{const.}}\\\Leftrightarrow \mathrm {d} H&=0\\\Leftrightarrow \delta Q+V\cdot \mathrm {d} p&=0\\\Leftrightarrow \delta Q&=-V\cdot \mathrm {d} p\end{aligned}}} {\displaystyle {\begin{aligned}H&={\text{const.}}\\\Leftrightarrow \mathrm {d} H&=0\\\Leftrightarrow \delta Q+V\cdot \mathrm {d} p&=0\\\Leftrightarrow \delta Q&=-V\cdot \mathrm {d} p\end{aligned}}} mit Q {\displaystyle Q} Q: Zu- oder Abgeführte Wärme δ {\displaystyle \delta } \delta : unvollständiges Differential V {\displaystyle V} V: Volumen p {\displaystyle p} p: Druck V ⋅ d p {\displaystyle V\cdot \mathrm {d} p} V \cdot \mathrm{d}p: Hauptteil der technischen Arbeit. Ein Beispiel für einen isenthalpen Prozess ist die Expansion eines Gases durch ein Drosselventil, siehe Joule-Thomson-Effekt. Nach der Zustandsgleichung eines idealen Gases gilt p ⋅ V = const. ⇔ T = const. {\displaystyle {\begin{aligned}p\cdot V&={\text{const.}}\\\Leftrightarrow T&={\text{const.}}\end{aligned}}} \begin{align}p \cdot V & = \text{const.}\\ \Leftrightarrow T & = \text{const.} \end{align} Für ideale Gase sind die isenthalphen Prozesse also gerade die Isothermen. Ein isothermer reversibler Prozess ist immer auch isenthalp, die Umkehrung gilt aber nicht. Auch die Linien gleicher Enthalpie im Zustandsdiagramm werden Isenthalpen (oder Drosselkurven) genannt. =============== Das Linde-Verfahren zur Gasverflüssigung setzt einen positiven Joule-Thomson-Koeffizienten voraus. Nur so kann die Energie des komprimierten Gases abgeführt werden, obwohl die Umgebungstemperatur höher ist als die des Gases. In der Linde-Maschine wird Luft durch ein Drosselventil von etwa 200 bar auf etwa 20 bar entspannt. Dabei kühlt sie sich um etwa 45 Kelvin ab. Die abgekühlte Luft wird nun genutzt, um weitere komprimierte Luft vor der Entspannung abzukühlen (Gegenstrom-Wärmeübertrager). Über mehrere Kompressions- und Entspannungsstufen kann somit das Gas so weit abgekühlt werden, dass es kondensiert und somit flüssig wird.[5] Ein Gas, das bei Raumtemperatur einen negativen Joule-Thomson-Koeffizient aufweist, muss, damit das Linde-Verfahren wirken kann, mit anderen Verfahren vorgekühlt werden, bis seine Inversionstemperatur unterschritten ist. Erst dann kühlt es bei isenthalper Drosselung wegen des nun positiven Joule-Thomson-Koeffizienten weiter ab. So muss Helium auf ungefähr −243 °C (30 K) abgekühlt werden.
 
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