Messung der Molenbruch- und Dichteabhängigkeit der Diffusion von Gasen und Dämpfen in einer Loschmidt-Zelle mittels holografischer Interferometrie
Final Report Abstract
Mit einer neu entwickelten Variante des Loschmidt-Verfahrens, kombiniert mit holografischer Interferometrie, können Messungen des binären Diffusionskoeffizienten von Gasen bei Temperaturen von 10…80°C und Drücken von 1…10 bar nahezu im gesamten Molenbruchbereich mit einer Unsicherheit von ±0,5…1 % durchgeführt werden. Die Diffusionszelle unterscheidet sich von üblichen Scherenzellen und besteht aus zwei fest übereinander stehenden Halbzellen mit rechteckigem Querschnitt. Diese können mit Hilfe eines Schiebers im Mittelteil der Zelle verbunden bzw. voneinander getrennt werden. Eine pneumatisch wirkende elastomere Dichtung gewährleistet ein zuverlässiges Dichten des Schiebers während des Füllvorganges mit den reinen Gasen. Durch diese Konstruktion wird erreicht, dass keine Gleit- oder Schmiermittel eingesetzt werden müssen und Sorptionseffekte vermieden werden. Für den Betrieb der Anlage wurden Mess-, Regel- und Befüllsysteme aufgebaut, welche mit Präzisions-Druck- und -Temperatursensoren ausgestattet sind. Des Weiteren wurden umfangreiche Programme zur Prozessvisualisierung und Automatisierung der Messabläufe sowie zur Auswertung der Messungen entwickelt. Für die Auswertung wird die integrierte ideale Diffusionsgleichung, ausgehend vom zweiten fickschen Gesetz, verwendet. Der nicht ideale Schervorgang wird durch eine Korrektur der Startzeit der Diffusion berücksichtigt. Die Konzentration wird simultan in beiden Halbzellen mit jeweils einem optischen System zur holografischen Interferometrie bestimmt, was die Untersuchung der Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten über den gesamten Molenbruchbereich ermöglicht. Die Interferenz der ursprünglichen, im Hologramm gespeicherten, und der aktuellen Objektwelle ergibt als Folge der Änderung des Brechungsindexes während des Diffusionsvorgangs ein Interferenzmuster, das mit jeweils einer CCDKamera als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird. Zur Ermittlung der Konzentration bzw. Stoffmengendichte der Gasmischung werden die ersten optischen Virialkoeffizienten der reinen Gase benötigt. Diese werden aus separaten Brechungsindexmessungen mit der gleichen Apparatur bestimmt. Die Leistungsfähigkeit der Apparatur wurde durch Messungen am Modell-System Argon-Neon nachgewiesen. Resultate bei 20°C und 40°C zeigen mit experimentellen Literaturdaten und theoretisch berechneten Werten eine Übereinstimmung innerhalb von etwa ±0,5 %. Ein negativer Anstieg für die Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten steht im Widerspruch zu den Daten des Schrifttums, wird jedoch durch neue quantenchemische ab initio Rechnungen der eigenen Arbeitsgruppe unter Nutzung der kinetischen Gastheorie bestätigt. Die Druck- bzw. Dichteabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten wurde für das System Argon-Neon erstmals experimentell untersucht. Ein Vergleich mit theoretischen Werten zeigt, dass Experiment und Theorie gleichermaßen zu einem negativen Anstieg für die Dichteabhängigkeit führen.
