Techniklexikon

Joule-Thomson-Effekt

Joule-Kelvin-Effekt, Drosselentspannung, Drosseleffekt, durch J.P. Joule und W. Thomson (dem späteren Lord Kelvin) beobachtetes Phänomen, nach dem ein reales Gas bei einer adiabatischen isenthalpen (adiabatische Zustandsänderung, Isenthalpe) Expansion ohne äussere Arbeitsleistung seine Temperatur ändert. Bei diesem Versuch tritt in einem gegen die Umgebung thermisch isolierten Rohr ein kontinuierlicher Gasstrom durch ein poröses Diaphragma (Drossel). Als Drossel kann auch ein Ventil oder eine Kapillare verwendet werden. Die Drossel setzte dabei dem Gasstrom einen solchen Widerstand entgegen, dass vom Gas keine kinetische Energie übertragen werden kann. D.h. dass sich die Kolben zu beiden Seiten der Drossel so langsam bewegen, dass das Gas sich immer im thermodynamischen Gleichgewichtszustand befindet. Vor der Drossel wird ein konstanter Druck p₁ sowie das Volumen V₁ und hinter der Drossel ein ebenfalls konstanter, jedoch wesentlich kleinerer Druck p₂ < p₁ sowie das Volumen V₂ > V₁ aufrecht erhalten (siehe Abb.). Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist die Änderung der inneren Energie DU bei der adiabatischen Expansion gleich der Differenz der vom System aufgenommenen und der vom System abgegebenen Volumenarbeit:  (U: innere Energie, p: Druck, V: Volumen). Führt man den Joule-Thomson-Koeffizienten m ein und verwendet die Van-der-Waals-Gleichung für reale Gase, so erhält man

(m: Joule-Thomson-Koeffizient, a: Van-der-Waals-Konstante, b: Kovolumen, R: Gaskonstante, T: Temperatur).

Unterhalb einer bestimmten Temperatur, der Inversionstemperatur T_i = 2a / Rb, ist der Joule-Thomson-Koeffizient also positiv, d.h. bei Entspannung tritt eine Temperaturerniedrigung auf. Oberhalb der Inversionstemperatur ist m negativ, d.h. Entspannung ist mit einer Temperaturzunahme verbunden. Der Joule-Thomson-Effekt besitzt grosse praktische Bedeutung in der Kältetechnik, insbesondere bei der Luftverflüssigung nach dem Linde-Verfahren.

Joule-Thomson-Effekt: Prinzipskizze des Versuchsaufbaus.