Wasserdampf

Unter Wasserdampf versteht man den gasähnlichen Aggregatzustand des Wassers in der Physik und Chemie. Umgangssprachlich wird der Begriff oft falsch für Dampfschwaden oder wasserdampfdurchsetzte Luft wie Nebel oder Wolken verwendet.

Entstehung und Zustände

Bei einem Luftdruck auf Meereshöhe (1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, Normalbedingungen) verdampft Wasser bei einer Temperatur von 100 °Celsius (entspricht 373,15 Kelvin). Das abgebildete T-s-Diagramm stellt die für die Verdampfung notwendige Wärme in Form der gepunkteten blauen Fläche dar.

Für die Umwandlung von 1 Kilogramm Wasser in die gleiche Menge Wasserdampf bei 100 °C benötigt man die Wärmemenge von 2250 Kilojoule. Würde man den dabei entstehenden Dampf auffangen, so ergäbe sich ein Dampfvolumen von 1700 dm³. Abzulesen ist dies im zweiten Temperatur-Entropie-Diagramm als Differenz aus den spezifischen Volumina (grüne Linien) zu Beginn und Ende des Verdampfungsvorganges. Ebenso lässt sich dabei der Zuwachs an Entropie ermitteln, der in diesem Fall:

${\frac {2250kJ}{373K}}=6,0322{\frac {kJ}{K}}$

beträgt.

Entsprechend dem Phasendiagramm siedet Wasser bei einem Luftdruck von 0,4 bar, wie er beispielsweise auf dem Mount Everest gegeben ist, schon bei etwa 75°C. Die aufzuwendende Verdampfungswärme ist jedoch größer, ebenso die Volumenzunahme des Dampfes. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungswärme des Wassers entsprechend den kleiner werden Flächen im T-s-Diagramm ab, bis sie im kritischen Punkt zu Null wird.

Erscheinungsformen

Wasserdampf bildet sich gemäß dem Dampfdruckverhalten auch schon bei niedrigeren Temperaturen durch Verdunstung. Im Gleichgewichtszustand ist die Menge des sich bildenden Wasserdampfes durch den Sättigungsdampfdruck gegeben. Die Übergangsbedingungen zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt:

Phasendiagramm

Sattdampfdruck von Wasser
Temperatur T in °C	Druck p in bar	Temperatur T in °C	Druck p in bar	Temperatur T in °C	Druck p in bar	Temperatur T in °C	Druck p in bar
0	0,006112	100	1,0133	200	15,549	300	85,927
10	0,01227	110	1,4327	210	19,77	310	98,70
20	0,02337	120	1,9854	220	23,198	320	112,89
30	0,0425	130	2,701	230	27,976	330	128,58
40	0,0738	140	3,614	240	33,478	340	146,5
50	0,1240	150	4,76	250	39,776	350	165,35
60	0,1990	160	6,181	260	46,934	360	186,75
70	0,3120	170	7,92	270	55,58	370	210,54
80	0,4740	180	10,27	280	64,202	374	221,20
90	0,7020	190	12,551	290	74,641

Wenn man Wasser in einer kälteren Umgebung unter Zufuhr von Wärme verdampft, kondensieren Teile des gasförmigen Wassers wieder zu feinsten Tröpfchen. Der Wasserdampf besteht dann aus feinsten Tröpfchen und gasförmigen, unsichtbarem Wasser. Diese Mischung bezeichnet man als Nassdampf, den man zum Beispiel beim Wasserkochen sehr gut sehen kann. Im Temperatur-Entropie-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221,2 bar. Oberhalb dieser Temperatur ist kein flüssiges Wasser mehr möglich. In diesem Temperaturbereich ist der Wasserdampf gasförmig und wird "überkritisch" genannt. Unterhalb dieses Punktes ist der Wasserdampf "unterkritisch", wobei er sich in einem Übergangsbereich von einer Flüssigkeit zu einem Gas befindet. Wird er in diesem Bereich nach dem vollständigen Übergang von Flüssigkeit auf den Dampf über die zugehörige Verdampfungstemperatur weiter erwärmt, so entsteht "überhitzter Dampf" oder "Heißdampf". Diese Form des Dampfes beinhaltet keinerlei Wassertröpfchen mehr und ist in seinem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas und nicht sichtbar.

Der Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf heißt "Sattdampf" oder in Abgrenzung zum Nassdampf gelegentlich auch "Trockendampf". Auf diesen Zustand sind die meisten Tabellenwerte über Wasserdampf bezogen. Der Inhalt an flüssigem Wasser innerhalb des Nassdampfes ist durch den Massenbruch x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen lässt:

Datei:TS Wasserdampf.png

Temperatur-Entropie-Diagramm von Wasserdampf

$x={\frac {m_{Dampf}}{m_{Fl{\ddot {u}}ssigkeit}+m_{Dampf}}}$

Eine besondere Bedeutung kommen den beiden Grenzkurven x = 0 und x = 1 im T-s-Diagramm zu, die sich im kritischen Punkt treffen: Die Kurve x = 0 grenzt das Gebiet der Flüssigkeit vom Nassdampf ab, während die Kurve x =1 den Nassdampf vom Heißdampf trennt und gleichzeitig den Zustand des Sattdampfes markiert. Die Schreibweise mit x für den Massenbruch ist hierbei nicht einheitlich definiert, da vor allem in der Chemie der Massenbruch mit w angegeben wird und x hier mehrheitlich für den Molenbruch steht. Da beide Größen ineinander umrechenbar sind und sich in den Grenzwerten 0 und 1 gleichen, spielt dies hier eine untergeordnete Rolle.

Gasförmiger oder Überhitzter Wasserdampf ist, wie die meisten Gase, farblos und damit unsichtbar. Nassdampf ist durch die mitgerissenen Wassertropfen dagegen sichtbar. Bei Kontakt mit hinreichend kühler Umgebungsluft kommt es zur Unterschreitung des Taupunktes und folglich einer Kondensation weiterer feinster Wassertropfen. An ihnen wird Licht gestreut, so dass dadurch die Existenz des Wasserdampfs in der Luft sichtbar wird.

Tabellen und Diagramme

Wegen seiner enormen Bedeutung in der Energiewirtschaft zählt Wasserdampf zu den am besten erforschten Stoffen innerhalb der Thermodynamik. Seine physikalischen Eigenschaften wurden durch Messungen und Berechnungen bestimmt und in umfangreichen Tabellenwerken, den so genannten Wasserdampftafeln abgelegt.

Ts-Diagramm

Im Temperatur-Entropie-Diagramm ist klar zu erkennen, dass beim Übergang von der Flüssigkeit auf den Dampf die Entropie zunimmt. Dies entspricht der Anschauung, dass die Teilchen einer Flüssigkeit wesentlich geordneter sind, als die chaotische Vermengung der Teilchen bei einem Gas. Auf Grund dieses Sachverhaltes wird die Entropie auf der x-Achse aufgetragen. Eine weitere Besonderheit des Diagramms ist seine Eigenschaft, die bei der Umsetzung des Wasserdampfes notwendigen Wärmemengen als Fläche darzustellen.

hs-Diagramm

Das Mollier-hs-Diagramm trägt die Entropie des Dampfes auf der x-Achse und die zugehörige Enthalpie auf der y-Achse. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Wasserdampfes lassen sich hier nicht so einfach interpretieren, jedoch können die zur Umwandlung des Dampfes notwendigen Wärmemengen direkt von der y-Achse abgelesen werden.

Magnus-Formel

Eine Näherungsformel für die Berechnung des Sättigungsdampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur ist die Magnus-Formel (Nach Heinrich Gustav Magnus, 1844; mit neuen Daten aus Allgemeine Meteorologie Nr. 1, DWD):

E(\theta )=E\mathrm {(} \theta =0\,^{\circ }\mathrm {C} )\cdot \exp \left({\frac {C_{1}\theta }{C_{2}+\theta }}\right)\ ;

mit der Temperatur θ in °C und den Koeffizienten

E(\theta =0\,^{\circ }\mathrm {C} )=610{,}78\,\mathrm {Pa} \ ,

C_{1}=\left\{{\begin{matrix}17{,}08085&{\mbox{falls }}\theta \geq 0\,{}^{\circ }\mathrm {C} \\17{,}84362&{\mbox{falls }}\theta <0\,{}^{\circ }\mathrm {C} \end{matrix}}\right.\ ,\quad C_{2}=\left\{{\begin{matrix}234{,}175\,{}^{\circ }\mathrm {C} &{\mbox{falls }}\theta \geq 0\,{}^{\circ }\mathrm {C} \\245{,}425\,{}^{\circ }\mathrm {C} &{\mbox{falls }}\theta <0\,{}^{\circ }\mathrm {C} \end{matrix}}\right.

Diese Formel ist sehr genau (< 0,22 %) im Bereich zwischen 0 und 100 °C und immer noch gut (<4,3 %) zwischen -20 und 374 °C (maximaler Fehler bei 290 °C). Sie wird wegen ihres einfachen Aufbaues und wegen ihrer hohen Genauigkeit bei den auf der Erde üblichen Temperatur der Luft vor allem in der Meteorologie und in der Bauphysik verwendet.

Mit leicht unterschiedlichen Koeffizienten

E(\theta =0\,^{\circ }\mathrm {C} )=611{,}2\,\mathrm {Pa} \ ,

C_{1}=\left\{{\begin{matrix}17{,}62&{\mbox{bei Wasser }}\,\\22{,}46&{\mbox{bei Eis }}\end{matrix}}\right.\ ,\quad C_{2}=\left\{{\begin{matrix}243{,}12\,{}^{\circ }\mathrm {C} &{\mbox{bei Wasser }}\\272{,}62\,{}^{\circ }\mathrm {C} &{\mbox{bei Eis }}\end{matrix}}\right.

ergeben sich Werte, die auf 0,1 % mit der in DIN 4108 abgedruckten Tabelle für bauphysikalische Berechnungen übereinstimmt.

Die Magnus-Formel wurde von H. G. Magnus auf empirischem Weg, d.h. durch Messungen, gefunden und seitdem lediglich durch genauere Werte ergänzt. Eine aus der Thermodynamik abgeleite Gesetzmäßigkeit für Phasendiagramme stellt die Clapeyron-Gleichung bzw. die Clausius-Clapeyron-Gleichung dar. Aufgrund vieler praktischer Probleme in Bezug auf diese eher theoretischen Gleichungen, stellt die Magnus-Formel jedoch trotzdem die bestmögliche Näherung dar. Durch eine Anpassung der Werte auf ein Genauigkeitsoptimum in anderen Temperaturbereichen, ließe sich bei Bedarf mit der Magnus-Formel auch bei diesen Temperaturen eine bessere Näherung ermöglichen.

Vorkommen und Nutzung

Reiner Wasserdampf kommt in der Natur auf der Erde in erster Linie in Vulkanen, Fumarolen und bei Geysiren vor. In beiden Fällen ist er die wichtigste Ursache von vulkanischen Eruptionen. Das allgegenwärtige Gemisch aus Luft und Wasserdampf ist die Ursache für das irdische Wettergeschehen.

Wasserdampf wird in der Technik eingesetzt:

als Arbeitsmittel in Dampfmaschinen und Dampfturbinen,
in Dampfheizungen als Träger der Wärmeenergie,
zu verschiedenen Zwecken, bei denen Druck und Wärme gebraucht werden, z.B. zur Reinigung mittels Dampfreinigern,
in der Küche zur schnellen und schonenden Zubereitung von Lebensmitteln mittels Dampfdruckgaren in einem Schnellkochtopf,
zum Biegen von Planken im Bootsbau,
zum Erzeugen eines Vakuums in geschlossen Druckbehältern durch Verdrängung der Luft und anschließender Kondensation,
zum Fördern von flüssigem Wasser mit einer Dampfstrahlpumpe,
als Brüden zum Eindampfen von Flüssigkeiten und zum Trocknen von Feststoffen,
bei der Wasserdampfdestillation als Treibmittel,
zur Sterilisation von medizinischen und mikrobiologischen Instrumenten (sog. autoklavieren).

in der Medizin und Therapeutik wird Wasserdampf für die Wärmeübertragung und als Träger therapeutischer Stoffe verwendet:

Inhalation zur Heilung, etwa von Husten, oder zur Linderung von Erkältungen, z.B. mit Inhalatoren oder einer Gesichtssauna,
im Wellnessbereich in Dampfbädern.

Beim technischen Einsatz von Wasserdampf ist zu beachten, dass Nassdampf im Unterschied zu den Flüssigkeiten und den Gasen nicht gepumpt werden kann. Die beim Verdichten des Dampfes auftretenden Wasserschläge würden die Fördermaschine innerhalb kürzester Zeit zerstören.

Gefahren durch Wasserdampf

Wasserdampf kann auch in geringen Mengen erhebliche Wärme transportieren. Aus diesem Grund ist das zerstörerische Potenzial von dampfführenden Apparaturen wie Dampferzeuger und Rohrleitungen erheblich. Kesselzerknalle von Dampfkesseln gehörten zu schwersten Unfällen in der Technikgeschichte, derartige Ereignisse konnten mit einem Schlag ganze Industriebetriebe auslöschen. Der mit hohen Temperaturen und Drücken aus einer defekten Rohrleitung frei austretender Wasserdampf ist unsichtbar und bildet einen Strahl von erheblicher Länge. Ein großflächiger Kontakt mit diesem Strahl ist wegen der augenblicklich eintretenden Verbrühungen tödlich.

In der letzten Zeit sind im Zusammenhang mit Wasserdampf weniger Unfälle geschehen, weil sich der Stand der Technik auf diesem Gebiet permanent zu größeren Sicherheiten entwickelt hat.

Wasserdampf als Treibhausgas

Der in der Atmosphäre vorhandene natürliche Wasserdampf ist zu einem großen Teil für den Treibhauseffekt verantwortlich, wobei der Wasserdampf die irdischen Temperaturen auf ein Niveau heben, welche das Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglichen. In der Stratosphäre vorhanden Spuren von Wasserdampf gelten andererseits als besonders klimaschädlich. Die Klimaforscher beobachteten in den letzten 40 Jahren einen Zuwachs des Wasserdampfs in der Stratosphäre von 75% und machen diesen für die Erhöhung der mittleren Erdtemperaturen mit verantwortlich. Die Herkunft des Wasserdampfs in diesen Höhen ist noch unklar, man vermutet jedoch einen Zusammenhang mit der in den letzten Jahrzehnten stark gestiegenen Methanproduktion im Rahmen der industriellen Landwirtschaft. Methan oxidiert in den großen Höhen zu Kohlendioxid und Wasserdampf, womit allerdings nur die Hälfte der Zuwächse zu erklären sind.

Siehe auch

Literatur-Quellen

Allgemeine Meteorologie Nr. 1, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach, 1987
Meyers Rechen Duden, Bibliographisches Institut, Mannheim, 1965
Dubbel Kapitel D Springer-Verlag 17. Auflage 1991 ISBN 3-540-52381-2
Mollier h,s-Diagram for Water and Steam, Springer-Verlag 1998 ISBN 3-540-64375-3

Weblinks