Joule-Thomson-Effekt
Physik
Basiswissen
Lässt man ein vorher zusammengedrücktes Gas - etwa in einer Druckflasche - über ein Ventil entweichen kühlt es sich oft extrem stark ab. Bei Druckluftflaschen von Tauchern kann das bis zur tödlichen Vereisung des Ventils führen. Ein solches Phänomen heißt Joule-Thomson-Effekt und ist hier kurz erklärt.
Beschreibung der Effekte
Der Joule-Thomson-Effekt bezeichnet die Temperaturänderung eines Gases bei einer (isenthalpen) Verringerung des Drucks. Unter Normalbedingungen, das heißt normalen Temperaturen und Drücken, wie sie etwa in einem Laborraum herrschen, gilt für die meisten Gase und deren Gemische, dass die Temperatur bei der Entspannung sinkt. Es gibt aber auch Gase, bei denen die Temperatur dann ansteigt, zum Beispiel Wasserstoff, Helium und Neon.
Physikalische Gründe
Der Joule-Thomson-Effekt tritt bei allen realen Gasen auf, nicht aber bei idealen Gasen: reale Gase haben Kräfte, die auch über eine Entfernung hinweg zwischen den Molekülen des Gases wirken. Ideale Gase denkt man sich ohne solche Kräfte. Diese intermolekularen Kräfte - anziehende sowohl als auch abtoßende - sind der Grund für den Joule-Thomson-Effekt.
Erwärmung bei Kompression
Die Wirkung anziehender Kräfte zwischen Molekülen überwiegt: man stelle sich dazu einige punktförmig gedachte Gasteilchen in einem abgeschlossenen kleinen Behälter vor. Zwischen realen Gasteilchen in der Wirklichkeit herrschen oft anziehende Kräfte: die Teilchen ziehen sich gegenseitig also an. Das heißt: bewegen sie sich aufeinander zu, beschleunigen sie sich gegenseitig auch durch ihre Anziehungskräfte. Umgekehrt: bewegen sie sich voneinander fort, bremsen sie sich durch die Anziehung gegenseitig ab. Nimmt man den Teilchen also Raum weg, in den hinein sie sich voneinander entfernen könnten, dann nimmt man ihnen damit auch die Möglichkeit, sich weiter gegenseitig abzubremsen. Verringert man also die Größe eines Behälters in dem ein solches Gas enthalten ist, dann halten sich die Gasteilchen auch näher beieinander auf und sind damit im Durchschnitt schneller als in einem größeren Behälter. Daher kommt die Erwärmung realer Gase bei Kompression (Zusammendrücken).
Abkühlung bei Kompression
Die Wirkung abstoßender Kräfte zwischen Molekülen überwiegt: man stelle sich dazu einige punktförmig gedachte Gasteilchen in einem abgeschlossenen kleinen Behälter vor. Zwischen realen Gasteilchen in der Wirklichkeit herrschen oft abstoßende Kräfte: die Teilchen stoßen sich gegenseitig also ab. Das heißt: bewegen sie sich aufeinander zu, bremsen sie sich gegenseitig ab. Umgekehrt gilt: bewegen sie sich voneinander fort, beschleunigen sie sich durch die Abstoßung und werden damit schneller. Nimmt man den Teilchen also Raum weg, in den hinein sie sich voneinander entfernen könnten, dann nimmt man ihnen damit auch die Möglichkeit, sich weiter gegenseitig zu beschleunigen. Verringert man aber die Größe eines Behälters in dem ein solches Gas enthalten ist, dann halten sich die Gasteilchen auch näher beieinander auf und sind damit im Durchschnitt langsamer als in einem größeren Behälter. Daher kommt die Abkühlung realer Gase bei Kompression (Zusammendrücken).
Wann überwiegt welche Effekt?
Das hängt von den betrachteten Art des Gases, dem Druck und der Temperatur ab, in dem sich das Gas zu Beginn befindet. Die tatsächlichen Zusammenhänge sind sehr kompliziert und Gegenstand der Thermodynamik. Ob sich die Temperatur erhöht oder verringert sagt der sogenannte Joule-Thomson-Koeffizient ↗
