Читать книгу Physikalische Chemie - Peter W. Atkins - Страница 177

Aus der kinetischen Gastheorie (Abschnitt 1.1.2) und dem Gleichverteilungssatz (Abschnitt G.5) folgt, dass die mittlere kinetische Energie der Moleküle eines Gases proportional zur Temperatur ist. Das bedeutet, dass ein Herabsetzen der mittleren Geschwindigkeit der Moleküle einer Abkühlung des Gases entspricht. Wird die Geschwindigkeit der Teilchen so weit reduziert, dass benachbarte Moleküle einander durch zwischenmolekulare Anziehungskräfte „einfangen“ können, so kondensiert das abgekühlte Gas zur Flüssigkeit.

Um die Gasmoleküle abzubremsen, machen wir uns einen Effekt zunutze, der an die allmähliche Verlangsamung eines in die Luft geworfenen Balls erinnert: Die Erdanziehungskraft sorgt dafür, dass die kinetische Energie des Balls allmählich in potenzielle Energie umgewandelt wird. Wie wir in Abschnitt 1.2.1 gesehen haben, ziehen die Moleküle eines realen Gases einander an (natürlich handelt es sich dabei nicht um Gravitation, aber der Effekt ist derselbe). Wenn wir die Teilchen also auseinander treiben (so, wie wir den Ball von der Erde weg werfen), sollten sie langsamer werden. Die Moleküle auseinander zu bringen ist nicht schwer: Wenn ein Gas expandiert, nimmt der mittlere Abstand zwischen seinen Molekülen zu. Um ein Gas abzukühlen, lassen wir es folglich expandieren, ohne einen Energiezufluss in Form von Wärme von außen zuzulassen. Die Moleküle bewegen sich dann gegen die Anziehungskraft ihrer Nachbarn voneinander weg, um das verfügbare Volumen auszufüllen. Da hierzu ein Teil der kinetischen Energie in potenzielle Energie umgewandelt werden muss, bewegen sich die Moleküle umso langsamer, je größer ihr gegenseitiger Abstand wird. Auf diese Weise lässt sich der Joule–Thomson-Effekt, die Abkühlung eines realen Gases bei der Expansion, molekular erklären. Eine Abkühlung (entsprechend μ > 0) beobachtet man, wenn die Anziehungskräfte dominieren (Z < 1 in Gl. (1-17)), weil die Teilchen diese Kräfte überwinden müssen, um sich langsamer zu bewegen. Überwiegen dagegen die Abstoßungskräfte (Z > 1), so führt der Joule–Thomson-Effekt zur Erwärmung das Gases (μ < 0).