Direkt zum Inhalt

Lexikon der Chemie: Joule-Thomson-Effekt

Joule-Thomson-Effekt, isenthalpischer Drosseleffekt, Phänomen, daß reale Gase bei einer Expansion ohne äußere Arbeitsleistung ihre Temperatur verändern. Ursache für den J. ist das Vorhandensein anziehender und abstoßender Kräfte zwischen den Teilchen eines realen Gases. Damit sind die innere Energie U und die Enthalpie H realer Gase im Unterschied zu den idealen Gasen abhängig vom Volumen V und dem Druck p des Gases, d. h. (∂U/∂V)T ≠ 0 und (∂H/∂p)T ≠ 0 (Thermodynamik, 1. Hauptsatz; kalorische Zustandsgleichung realer Gase).

Für die Enthalpieänderung dH eines homogenen Stoffes gilt dH = ∂q + ∂w = (∂H/∂T)p dT + (∂H/∂p)T dp. (Thermodynamik, 1. Hauptsatz). Wird in einer gut wärmegedämmten Anordnung ein Gas über eine reibungsfrei funktionierende Drossel ohne äußere Arbeitsleistung expandiert, so ist ∂w = 0 und wegen der adiabatischen Prozeßführung ∂q = 0, d. h., es gilt dH = 0 (isenthalpischer Vorgang). Aus der obigen Beziehung folgt (∂T/∂p)H = (∂H/∂p)T/(∂H/∂T)p = [T(∂V/∂T)pV]/nCp. Der Quotient (∂T/∂p)H wird als differentieller Joule-Thomson-Koeffizient bezeichnet. Ist er positiv, führt die Expanison des Gases zur Abkühlung (∂T < 0), im anderen Fall zur Erwärmung. Da (∂H/∂T)p = nCp gilt, wobei n die Stoffmenge und Cp die molare Wärmekapazität bedeuten, hängt das Vorzeichen von (∂T/∂p)H nur vom partiellen Differentialquotienten (∂H/∂p)T ab. Überwiegen die Anziehungskräfte zwischen den Gasmolekülen, dann gilt (∂H/∂p) < 0 und (∂T/∂p)H ist positiv. Überwiegen die Abstoßungskräfte, so kehren sich die Vorzeichen um.

Für ideale Gase ist (∂H/∂p) = 0 (2. Gay-Lussacsches Gesetz) und damit (∂T/∂p)H = 0. Die isenthalpische Expansion erfolgt ohne Temperaturänderung. Für die meisten realen Gase ist der Quotient (∂T/∂p)H unter Normalbedingungen positiv (die Anziehungskräfte dominieren!). Er sinkt mit steigender Temperatur und steigendem Druck, erreicht Null bei der Inversionstemperatur T1 und darüber negative Werte. Die van-der-Waalssche Zustandsgleichung ergibt T1 = 2 TB = 2a/Rb, wobei TB die Boyle-Temperatur, R die Gaskonstante, a und b Van-der-Waals-Konstanten bedeuten.

Der J. bildet die Grundlage der Gasverflüssigung. Gase mit Inversionstemperaturen unterhalb der Zimmertemperatur müssen zunächst auf Temperaturen unterhalb der Boyle-Temperatur vorgekühlt werden, damit eine Expansion zu einer weiteren Abkühlung führt (z. B. Helium: T1 ≈ 40 K, Wasserstoff : T1 ≈ 220 K bei Normaldruck).

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren
Dr. Andrea Acker, Leipzig
Prof. Dr. Heinrich Bremer, Berlin
Prof. Dr. Walter Dannecker, Hamburg
Prof. Dr. Hans-Günther Däßler, Freital
Dr. Claus-Stefan Dreier, Hamburg
Dr. Ulrich H. Engelhardt, Braunschweig
Dr. Andreas Fath, Heidelberg
Dr. Lutz-Karsten Finze, Großenhain-Weßnitz
Dr. Rudolf Friedemann, Halle
Dr. Sandra Grande, Heidelberg
Prof. Dr. Carola Griehl, Halle
Prof. Dr. Gerhard Gritzner, Linz
Prof. Dr. Helmut Hartung, Halle
Prof. Dr. Peter Hellmold, Halle
Prof. Dr. Günter Hoffmann, Eberswalde
Prof. Dr. Hans-Dieter Jakubke, Leipzig
Prof. Dr. Thomas M. Klapötke, München
Prof. Dr. Hans-Peter Kleber, Leipzig
Prof. Dr. Reinhard Kramolowsky, Hamburg
Dr. Wolf Eberhard Kraus, Dresden
Dr. Günter Kraus, Halle
Prof. Dr. Ulrich Liebscher, Dresden
Dr. Wolfgang Liebscher, Berlin
Dr. Frank Meyberg, Hamburg
Prof. Dr. Peter Nuhn, Halle
Dr. Hartmut Ploss, Hamburg
Dr. Dr. Manfred Pulst, Leipzig
Dr. Anna Schleitzer, Marktschwaben
Prof. Dr. Harald Schmidt, Linz
Dr. Helmut Schmiers, Freiberg
Prof. Dr. Klaus Schulze, Leipzig
Prof. Dr. Rüdiger Stolz, Jena
Prof. Dr. Rudolf Taube, Merseburg
Dr. Ralf Trapp, Wassenaar, NL
Dr. Martina Venschott, Hannover
Prof. Dr. Rainer Vulpius, Freiberg
Prof. Dr. Günther Wagner, Leipzig
Prof. Dr. Manfred Weißenfels, Dresden
Dr. Klaus-Peter Wendlandt, Merseburg
Prof. Dr. Otto Wienhaus, Tharandt

Fachkoordination:
Hans-Dieter Jakubke, Ruth Karcher

Redaktion:
Sabine Bartels, Ruth Karcher, Sonja Nagel


Partnerinhalte