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JOULE-THOMSON-Effekt und LINDE-Verfahren - Wie erzeugt man flüssige Luft?

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Wie erzeugt man flüssige Luft? Flüssige Luft wurde zum ersten Mal von Herrn Linde Ende des 19. Ahrhundert und man kann diese technische Neuerung gar nicht hoch genug bewerten denn mit der Erzeugung von flüssiger Luft hatte man Zugang zu große Mengen an reinem Sauerstoff, an reinem Stickstoff und an reinen Edelgasen. Außerdem hatte man ein Medium, dass sich sehr gut zum Kühlen eignet und auch sehr gut zur
Lagerung von großen Mengen Gas eignet. Aber wie erzeugt man flüssige Luft? Dies geschieht mit dem von Joule und Thomson untersuchten Effekt der isenthalpen Drosselung. Joule und Thomson haben folgendes Experiment durchgeführt. Sie haben ein Gas bei hohem Druck durch eine Düse gepresst. Der hohe Druck ist der Druck p1. Hinter der Düse (die auch eine Fritte sein kann) herrscht der Druck p2 und bei dieser Drosselung - von hohem Druck auf tiefen Druck - ändert sich die Temperatur des Gases in der Regel um einen kleinen Betrag. Die Temperatur kann zunehmen oder abnehmen - dies hängt von der Gas-Art und der Anfangstemperatur ab. Die Qualifizierung dieses Effektes wird mit dem Joule-Thomson-Koeffizient beschrieben: die Änderung der Temperatur mit dem Druck Man kann diesen Koeffizienten abschätzen aus den van-der-Waalsschen Gaskonstanten zu (2a/RT-b) durch Wärmekapazität Cp. Eine wichtige Temperatur, die für jedes Gas ein Charakteristikum ist, ist die Inversionstemperatur 2 a durch R b. Wenn wir bei Temperaturen unterhalb
der Inversionstemperatur unser Experiment starten dann wird nach der Drosselung das Gas kälter - es wird sich abkühlen. Wenn wir bei einer Temperatur oberhalb der Inversionstemperatur mit dem gleichen Gas starten wird nach der Drosselung, nach der Entspannung, das Gas wärmer werden - das Gas wird sich erwärmen. Die Effekte sind nicht sehr groß und werden durch den Joule-Thomson-Koeffizient quantifiziert
bei Kohlendioxid (CO2) haben wir einen Joule-Thomson-Koeffizienten von 1,1 Kelvin pro bar. Positives Vorzeichen heißt, dass Druck und Temperatur sich in die gleiche Richtung verändern: Wenn der Druck von zwei bar auf ein bar abfällt, dann nimmt die Temperatur von Raumtemperatur um 1,1 Grad ab. Stickstoff und auch Luft haben einen deutlich kleineren Joule-Thomson-Koeffizienten von rund einem Viertel Grad pro bar. Sie nehmen Luft, entspannen diese von zwei bar auf ein bar: die Temperatur nimmt gerademal um ein Viertel Grad ab. Bei Wasserstoff und bei Helium ist es so dass die Inversionstemperatur dieser Gase unterhalb Raumtemperatur liegt. Und das heißt: Diese Gase erwärmen sich beim Drosseln. Allerdings ist der Effekt noch kleiner als beim Stickstoff: gerade mal 0,03 oder 0,06 Grad pro bar. Wenn wir diese Gase verflüssigen wollen, dann müssen wir sie zunächst einmal unter die Inversionstemperatur bringen, und dann erst können
wir den Joule-Thomson-Effekt anwenden. Der Joule-Thomson-Effekt ist ein sehr kleiner Effekt –meist weniger als ein Kelvin pro bar - und es hat nach seiner Entdeckung über 30 Jahre gedauert, bis Herr Linde daraus ein Verfahren entwickelt hat, um Luft zu verflüssigen. Energetisch gesehen sind hier drei Teileffekte wirksam, die den Gesamteffekt ausmachen: Wir haben zunächst eine Kompression eines Gases beim Druck p 1 . Dadurch wird die Energie des Gases erhöht. Dieser Effekt führt zu einer Erwärmung. Dann leistet das Gas Arbeit bei p 2 Dieser Effekt führt zu einer Abkühlung. und
außerdem werden die Teilchen eines nicht-ideales Gases bei einer Entspannung weiter voneinander entfernt. Das heißt, die potentielle Energie der Gasteilchen steigt - die kinetische Energie der Teilchen muss sinken - gibt muss auch dieser Effekt führt zu einer Abkühlung. Je nachdem, welcher dieser drei Effekte die Oberhand hat wird das Gas sich abkühlen oder erwärmen. Wenn sich die Effekte genau die
Waage halten, wird die Temperatur beibehalten. Am Inversionspunkt, wenn T gleich T i ist, ist der Joule-Thomson-Koeffizient gleich Null. Hier kompensieren sich die Effekte. Bei Temperaturen unterhalb der Inversionstemperatur wird der Joule-Thomson-Koeffizient positiv, das heißt eine Drosselung führt zu einer Abkühlung. Oberhalb der Inversionstemperatur führt eine Drosselung zu einer Erwärmung. Wenn wir Luft um ein Bar drosseln, haben wir nur eine Abkühlung von 0,25 Grad. Die Idee von Linde war, dass wir Luft nicht um ein bar, sondern um 200 bar drosseln. dazu müssen wir die Luft zunächst auf 200 bar verdichten, dabei wird sie sehr heiß. Wir kühlen die heiße Luft - z.B. mit Wasser - auf Raumtemperatur ab und lassen jetzt die 200 bar komprimierte Luft auf 1 bar entspannen. dabei wird nach Joule-Thomson eine Temperaturabnahme von etwa 200 mal 0,25 = 50 Grad zu verzeichnen sein. Wir kommen von Raumtemperatur auf minus 25 Grad. Diese - 25°C kalte Luft dient jetzt dazu die nachströmende, auf 200 bar komprimierte Luft auf etwa -25° C vorzukühlen. Wenn wir wieder von 200 bar auf 1 bar entspannen erreichen wir wieder 50 Grad Temperaturerniedrigung. Wenn wir mehrfach im Kreis fahren erreichen wir schließlich die Kondensationstemperatur der Luft: ca. - 200 Grad Celsius. Nach diesem Lindeverfahren erzeugt man flüssige Luft und dies ist so ausgereift, dass ein Liter flüssige Luft in der Herstellung weniger als einen Euro kosten. Flüssige Luft wird verwendet, um die Luftbestandteile in großer Menge und großer Reinheit
zu erhalten - durch Destillation. Um eine Kältequelle zu haben, etwa für Samenbanken
oder zur Vereisung und Versprödung von Kunststoffen. und um Gase in großen Mengen zu lagern - eben als Flüssiggas. Merken Sie sich bitte,
Edelgas
Stickstoff
Gusseisen mit Vermiculargraphit
Fritte <Technik>
Körpertemperatur
Lagerung
Vorlesung/Konferenz
Gasphase
Kohlendioxid
Wasserstoff
Helium
Vorlesung/Konferenz
Kompression
Erz
Stickstoff
Gasphase
Körpertemperatur
Vorlesung/Konferenz
Erz
Gasphase
Destillation
Vorlesung/Konferenz
Flüssiggas
Versprödung
Kunststoff
Gasphase

Metadaten

Formale Metadaten

Titel JOULE-THOMSON-Effekt und LINDE-Verfahren - Wie erzeugt man flüssige Luft?
Serientitel Einführung in die Thermodynamik
Teil 8
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15652
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik, Chemie
Schlagwörter Physikalische Chemie
Thermodynamik

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