Transportvorgänge in Transportvorgänge in GasenGasen
Zum Versuch 11:
Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von
Gasen und Gasgemischen
Janine Bursa, Nora Heinrich
Inhalt
Fluss
Gradient
Allg. Transportgleichung
Transportvorgänge Viskosität, Diffusion, Wärmeleitfähigkeit
Versuch 11 Aufbau, Durchführung, Auswertung
Es findet ein „Temperaturfluss“ von der höheren zur niedrigeren Temperatur statt
Bsp.: Temperatur in zwei miteinander
verbundenen Gefäßen
Fluss
Menge der Transportgröße, die pro Zeiteinheit durch eine Fläche transportiert wird
Adt
dJ
*
J
Der Gradient...
...ist die treibende Kraft der Änderung
dz
dagradaJ
**
dz
dJ
z
Z0+λ
Z0-λ
Z0
FlussvonΓ
x
Γoben
Γunten
Fläche F
Γ groß
Γ klein
ˆ
*ˆˆ
*ˆˆ
0
0
0
0
zzunten
zzoben
dz
d
dz
d
ist bezogen auf ein Teilchen
obeneffunteneff
eff
zzJ
vV
Nz
ˆ*ˆ*
**4
1
Allgemeine Transportgleichung
0
****2
1
zdz
dv
V
NJ
Transport von...
Transportvorgänge
Diffusion
Wärmeleitung
Viskosität
... Materie (N/V)
... Impuls (mv)
... Innerer Energie (U)
Viskosität / innere Reibung
Impulsübertragung:
Abbremsen oder Beschleunigen der anderen Teilchenschicht
Viskosität - Transportgleichung
dz
mvdv
V
N
dtF
mvdJmv
)(****
2
1
*
)(
Diffusion
Bsp.: Die Stoffe A und B sind in zwei separaten Gefäßen. Die Gefäße werden verbunden und es bilden sich Konzentrationsgradienten aus, d.h., die beiden Stoffe mischen sich.
ohne Wärme, keine Bewegung und ohne Bewegung, keine Mischung der Teilchen
Diffusion wird hervorgerufen durch thermische Bewegung der Teilchen
Diffusion - Transportgleichung
dzVN
dv
dtFVN
dJV
N
***
2
1
*
1.Ficksches Gesetz
Wärmeleitfähigkeit
Teilchen übertragen Wärme, bzw. innere Energie, indem sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen
dz
Udv
V
N
dtF
dQJU ****
2
1
*
Wärmeleitung-Transportgleichung
dz
dT
dT
Udv
V
NJU *****
2
1
A
v
N
c
dT
Ud
****2
1v
N
c
V
N
A
v
Mit:
ergibt sich für den Wärmeleitungs- koeffizienten κ (Kappa):
Versuchsaufbau
Skizze:
In der Messzelle gilt für ein Gasgemisch:
*baQ
Q = transportierte Wärmemengea und b = const.Molenbruch
xmby *
Gilt für reines Gas nur bei geringen Drücken
1.) Eichkurve aufnehmen mit N2 bis 400 torrGas schrittweise ablassenSpannung ablesen(geringer Druckbereich ist wichtig)
2.) Gefäß mit N2 füllen, H2 zugeben Gleichgewicht einstellen lassenSpannung ablesen(circa 10 Werte)
Versuchsdurchführung
Schaltung als Wheatstone‘sche Brücke
2*2
HbaU
PRQRU **2
Nullabgleich der Brücke durch Spannungsänderung
Spannungsänderung führt zu Stromänderung,
Stromänderung zur Temperaturänderung des Heizdrahtes,
dadurch zur Änderung des Widerstandes der Messzelle
Gasgemisch
Wärmeleitfähigkeit Gemisch
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Molenbruch Wasserstoff
U²
Reines Gas
Auswertung
• Minimaler und maximaler Druck, Temperatur Bei geringen Drücken ist die Wärmeleitfähigkeit groß Bei hoher Temperatur ist die Wärmeleitfähigkeit groß
p
T
• Molekulare und atomare Gase im Vergleich Molekulare Gase transportieren mehr Energie
• Wasserstoff und Stickstoff im Vergleich Wasserstoff hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, weil1.) die Moleküle leichter sind2.) die Moleküle kleiner sind3.) die Wärmekapazität größer ist
Wärmeleitfähigkeit abhängig von Gasart!!!(unterschiedliches Gas = unterschiedliche Größe = unterschiedliches Gewicht)
Wärmeleitfähigkeit ist abhängig von der Gasart!!!
sowievon der Temperatur
undvom Druck
des gegebenen Systems.
Fazit
Schönes Wochenende!