Joule-Thompson-Effekt
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Der Joule-Thomson-Effekt beschreibt die Temperaturänderung eines Gases oder Gasgemisches bei herabsetzten des Druckes und wurde 1852 von den Physikern James Prescott Joule und Sir William Thomson entdekt. Der Joule-Thompson-Effekt tritt bei allen realen Gasen auf, unabhängig davon um sie in atomarer Form oder als Molekül vorliegen.
Eine technische Anwendung des Joule-Thompson-Effektes ist die Verflüssigung von Gasen nach dem Linde-Verfahren.
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Physikalischer Hintergrund
Ein expandierendes Gas nimmt ein größeres Volumen ein als im komprimierten Zustand. Der mittlere Abstand zwischen den Teilchen verringert sich, die Temperatur sinkt ab.
Van-der-Vaals-Kräfte im realen Gas
Ein reales Gas unterscheidet sich von einem idealen Gas unter anderem darurch, dass die einzelnen Teilchen des Gases untereinander wechselwirken. Diese Wechselwirkung ist in der Regel anziehend und kommt dadurch zustande, dass die positiven und negativen Ladungen der Teilchen nicht symetrisch auf das Volumen des Teilchens verteilt sind. Es gibt also Stellen in jedem Gasteilchen die etwas positiver und andere die etwas negativer geladen sind. Diese Polarisation verursacht die anziehende Wechselwirkung (van-der-Vaals-Kräfte).
Ausdehnung des realer Gase
Dehnt sich nun ein reales Gas aus, so bewegen sich die einzelnen Teilchen desselben von einander weg. Vergleichbar ist das mit einem Luftballon auf dem mit Filzstift zwei Punkte markiert sind. Bläst man den Ballon auf, entfernen sich die Punkte voneinander. Durch die anziehenden van-der-Vaals-Kräfte wird diese Bewegung abgebremst. Dadurch nimmt die kinetische Energie (≈ Geschwindigkeit der Teilchen) ab, die Temperatur des Gases sinkt.
Joule-Thompson-Effekt im Tauchsport
Beim Tauchen wird Gas von hohem Druck, teilweise über 200 bar, auf geringeren Druck herab gesetzt. Durch diese Druckänderung vergrößert das Gas sein Volumen und der Joule-Thomson-Effekt tritt auf. So führt die Expansion der Atemluft von 200 bar auf 1 bar zu einer Abkühlung um ca. 40 °C.
Vereisen der 1. Stufe
Die stärkste Expansion (auf ca. 10 bar über Umgebungsdruck) findet in der 1. Stufe des Lungenautomaten statt. Sind kleine Mengen Wasser in den Druckminderer eingedrungen, können diese unter dem so entstandenen Kälteabfall zu Eis kristallisieren und so ein Schließen des Ventils im Druckminderer verhindern. Dadurch strömt weiter Gas aus, das expandiert, und den Druckminderer weiter abkühlt,...
Um diesen Kreis zu durchbrechen, wird das Ventil an dem der betroffene Druckminderer angeschlossen ist verschlossen, bis das umgebenden Wasser die 1. Stufe wieder ausreichend erwärmt hat. In dieser Zeit muss der Taucher auf ein zweites Atemsystem oder auf Wechselatmung zurückgreifen.
Technische Gegenmaßnahmen
Um ein Vereisen der ersten Stufe zu erschwehren, werden verschiedene technische Maßnahmen verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass es keine "vereisungssicheren" Automaten geben kann; jedoch kann versucht werden ein Vereisen so gut wie möglich zu verhindern.
- Eindringen von Wasser vermeiden
- Durch Öl oder Fett kann ein Eindringen von Wasser vermieden werden. Außerdem sollte ein Taucher vermeiden beim Waschen eines Automaten, der nicht an ein DTG angeschlossen ist die Luftdusche zu betätigen. Dadurch kann Wasser ins System eindringen, das in die 1. Stufe zurücklaufen kann.
- Gute Wärmeleitfähigkeit
- Wird bei der Herstellung von Automaten Material mit guten Wärmeleiteigenschaften verwendet, so kann die ein zu starkes Abkühlen des Druckminderers vermieden wärden, da dieser schnell Wärmeenergie aus dem umgebenden Wasser nachziehen kann.
- Besondere Konstruktion
- Da Wasser zum Beispiel an scharfe Kanten oder unregelmäßigen Oberflächen besonders gut zu frieren beginnt, sollten solche Stellen im Inneren des Systems bei der Konstruktion des Automaten möglichst vermieden werden.
- Vorbeugendes Tauchverhalten
- Durch eine hohe Luftentname wird ein Vereisen begünstigt, da dann nicht schnell genug Wärme aus dem umgebenden Wasser nachgezogen werden kann. Daher können folgenden Verhaltensweisen bei Kaltwassertauchgängen vorbeugend gegen Vereisung wirken:
- Nicht gleichzeitig einatmen und Inflator betätigen.
- Möglichst keine Luftdusche verwenden.
- Keine Oktopus-Systeme verwenden.
- Bei Minus-Temperaturen beim Abtauchen erst atmen, wenn sich auch die erste Stufe unter Wasser befindet.
- Durch eine hohe Luftentname wird ein Vereisen begünstigt, da dann nicht schnell genug Wärme aus dem umgebenden Wasser nachgezogen werden kann. Daher können folgenden Verhaltensweisen bei Kaltwassertauchgängen vorbeugend gegen Vereisung wirken:
Literatur
- T. Kromp, Dr. med. H. J. Roggenbach, P. Bredenbusch: Praxis des Tauchens. Delius Klasing, 2. überarbeitete Auflage 1997 ISBN 3-89594-047-X
- A. Stibbe: Sporttauchen. Delius Klasing, 9. überarb. und erw. Auflage 2001 ISBN 3-89594-048-8
