In diesem Versuch wurde der Joule-Thomson-Koeffizient der Gase Argon und Kohlenstoffdioxid experimentell bestimmt. Die unter Zuhilfenahme der Van-der-Waals-Gleichung ermittelten Joule-Thomson-Koeffizienten wurden mit den experimentell ermittelten verglichen und zusätzlich wurden die Inversionstemperaturen von Kohlenstoffdioxid, Helium und Argon bestimmt.
Inhaltsverzeichnis
1 Theorie
1.1 Das ideale Gas
1.2 Reale Gase
1.3 Joule-Thomson-Effekt
1.3.1 Inversionstemperatur
1.4 Linde-Verfahren
2 Versuchsaufbau
3 Versuchsdurchführung
4 Messergebnisse und Auswertung
4.1 Messergebnisse
4.2 Auswertung
4.2.1 Bestimmung der Joule-Thomson-Koeffizienten
4.2.2 Berechnung der theoretischen Joule-Thomson-Koeffizienten
4.2.3 Berechnung der Inversionstemperatur
4.2.4 Zusatzaufgabe
5 Fehlerbetrachtung
6 Fehlerberechnung
6.1 Fehler des experimentellen Joule-Thomson-Koeffizienten von Argon
6.2 Fehler des experimentellen Joule-Thomson-Koeffizienten von Kohlenstoffdioxid
7 Diskussion
Zielsetzung & Themen
Das Ziel dieses Versuchsprotokolls ist die experimentelle Bestimmung und theoretische Einordnung des Joule-Thomson-Koeffizienten für die Gase Argon und Kohlenstoffdioxid. Dabei wird untersucht, wie sich Druckänderungen bei isenthalpen Prozessen auf die Gastemperatur auswirken, und die experimentellen Ergebnisse werden mit theoretischen Werten auf Basis der Van-der-Waals-Gleichung verglichen.
- Thermodynamik realer Gase und deren Abweichungen vom idealen Verhalten
- Experimentelle Bestimmung des Joule-Thomson-Koeffizienten mittels linearer Regression
- Theoretische Herleitung und Berechnung der Inversionstemperatur
- Anwendung des Linde-Verfahrens zur Gasverflüssigung
- Fehleranalyse der experimentellen Messreihen
Auszug aus dem Buch
1.3 Joule-Thomson-Effekt
Eine Druckänderung eines realen Gases geht immer mit einer Temperaturänderung einher. Unter hohem Druck ist der Abstand der Gasteilchen zueinander gering, es können anziehende oder abstoßende Kräfte vorherrschen. Wird nun der Druck isenthalp erniedrigt so expandiert das Gas und die Abstände zwischen den einzelnen Teilchen nehmen zu. Das führt dazu, dass entweder (a) die anziehenden Kräfte zwischen den Gasteilchen erniedrigt werden, es wird Arbeit verrichtet ( Umwandlung von kinetischer in potenzielle Energie), die Gasteilchen werden langsamer und das Gas kühlt sich ab; oder dass (b) die abstoßenden Kräfte zwischen den Gasteilchen erniedrigt werden, was zu einer Beschleunigung der Gasteilchen (Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie) und somit zu einer Temperaturerhöhung führt.
Die Temperaturänderung eines Gases, bei einer isenthalpen Druckminderung, wird als Joule Thomson-Effekt bezeichnet. In einem idealen Gas gibt es keinerlei Wechselwirkungen, infolgedessen zeigt es keinen Joule Thomson-Effekt; dies folgt direkt aus dem 2. Gay-Lussac’schen Versuch:
Für reale Gase allerdings müssen die Innere Energie U und die Enthalpie H volumen- bzw. druckabhängig sein, was aus dem inneren Druck Π und dem isothermen Drosseleffekt folgt:
Zusammenfassung der Kapitel
1 Theorie: Dieses Kapitel erläutert die thermodynamischen Grundlagen von idealen und realen Gasen sowie die physikalischen Mechanismen hinter dem Joule-Thomson-Effekt und dem Linde-Verfahren.
2 Versuchsaufbau: Hier wird die apparative Anordnung beschrieben, die zur Messung der Temperaturänderung bei kontrollierter Druckänderung verwendet wurde.
3 Versuchsdurchführung: Dieser Abschnitt beschreibt das methodische Vorgehen bei der schrittweisen Druckentlastung der Gase Argon und Kohlenstoffdioxid sowie die Datenaufnahme.
4 Messergebnisse und Auswertung: Die erhobenen Daten werden tabellarisch dargestellt, grafisch ausgewertet und zur Berechnung der Joule-Thomson-Koeffizienten sowie der Inversionstemperaturen genutzt.
5 Fehlerbetrachtung: Dieses Kapitel diskutiert mögliche apparative und menschliche Fehlerquellen, die bei der manuellen Druckeinstellung und der Temperaturablesung aufgetreten sein könnten.
6 Fehlerberechnung: Hier werden die Unsicherheiten der experimentell bestimmten Koeffizienten quantitativ durch statistische Standardabweichungen aus der Regression bestimmt.
7 Diskussion: Die Ergebnisse werden kritisch reflektiert, mit Literaturwerten verglichen und die Abweichungen basierend auf den spezifischen molekularen Eigenschaften der Gase interpretiert.
Schlüsselwörter
Joule-Thomson-Effekt, Thermodynamik, Reale Gase, Van-der-Waals-Gleichung, Inversionstemperatur, Linde-Verfahren, Isenthalpe Zustandsänderung, Argon, Kohlenstoffdioxid, Drosseleffekt, Molare Wärmekapazität, Druckentlastung, Gasverflüssigung, Experimentelle Physik, Thermodynamische Potenziale
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Protokoll grundsätzlich?
Das Protokoll dokumentiert ein physikalisch-chemisches Experiment, bei dem das Verhalten von Argon und Kohlenstoffdioxid bei isenthalper Entspannung untersucht wird.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der Thermodynamik realer Gase, dem Joule-Thomson-Effekt, mathematischen Modellen für reale Gase (Van-der-Waals) und der experimentellen Fehlerrechnung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die experimentelle Ermittlung des Joule-Thomson-Koeffizienten und dessen Vergleich mit theoretisch berechneten Werten unter Verwendung der Van-der-Waals-Zustandsgleichung.
Welche wissenschaftliche Methode wurde angewandt?
Es wurde eine Versuchsreihe mit Gasen durchgeführt, bei der systematische Druckänderungen vorgenommen und die resultierenden Temperaturdifferenzen zur Berechnung mittels linearer Regression ausgewertet wurden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Herleitung der relevanten thermodynamischen Formeln, die detaillierte Beschreibung des Aufbaus und der Durchführung sowie die quantitative Auswertung der Messwerte.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den zentralen Begriffen zählen Joule-Thomson-Effekt, Inversionstemperatur, Van-der-Waals-Korrekturen und isenthalpe Expansion.
Warum kühlt sich ein Gas bei Expansion unterhalb der Inversionstemperatur ab?
Unterhalb dieser Temperatur überwiegt die Arbeit, die aufgewendet werden muss, um anziehende intermolekulare Kräfte zu überwinden, was zu einer Abnahme der kinetischen Energie der Teilchen und somit zur Abkühlung führt.
Wie unterscheidet sich die Fehleranfälligkeit bei Argon und Kohlenstoffdioxid?
Die Auswertung zeigt, dass die Messwerte für Kohlenstoffdioxid eine höhere Standardabweichung aufweisen, was unter anderem auf die schwierigere Handhabung der Gasflasche und die Präzision der Druckeinstellung zurückgeführt wird.
Welche Rolle spielt die Inversionstemperatur für das Linde-Verfahren?
Damit Gase verflüssigt werden können, müssen sie vor der Entspannung unterhalb ihrer spezifischen Inversionstemperatur vorgekühlt werden, da sonst bei der Expansion eine Erwärmung stattfinden würde.
- Arbeit zitieren
- Michael Hoffmann (Autor:in), 2017, Der Joule-Thomson-Effekt. Experimentelle Bestimmung der Joule-Thomson-Koeffizienten von Argon und Kohlenstoffdioxid, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/377563
