Wasserdampf
Umgangssprachlich versteht man unter Wasserdampf Dampfschwaden kondensierter Wassertropfen, die auch als Nebel oder Wolken bezeichnet werden.
Wissenschaftlich betrachtet ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand genauso unsichtbar ist wie Luft.
Entstehung und Zustände
Unter Normaldruck von 1 atm siedet Wasser bei 100° Celsius. Sein Dampfdruck ist dann genau so groß wie der äußere Druck, es bilden sich Blasen aus Wasserdampf. Wird das Wasser von unten erhitzt, wie auf dem Foto, steigen die Dampfblasen vom Boden aus an die Oberfläche.
Beim Verdampfen entsteht aus 1 Liter Wasser bei 100 °Celsius 1,7 m³ Wasserdampf. Bei seiner Expansion leistet es gegenüber dem Luftdruck die Arbeit Δ W:
Die zugeführte Verdampfungswärme (auch äußere Verdampfungswärme genannt) erhöht die inneren Energie des Dampfes und leistet die Verschiebearbeit. Beide Beiträge ergeben die Verdampfungsenthalpie H, die sich im Enthalpie-Entropie-Diagramm bei 1bar als Diffenenz auf der y-Achse ablesen lässt. Das abgebildete Temperatur-Entropie-Diagramm stellt ebenfalls die für die Verdampfung notwendige Wärme in Form der gepunkteten blauen Fläche dar.
Ebenso lässt sich dabei der Zuwachs an thermischer Entropie ermitteln:
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 gleich Null ist.
Erscheinungsformen
Der Dampfdruck des Wassers ist temperaturabhängig, bei niedrigen Temperaturen spricht man von Verdunstung. Ist Umgebungsluft mit Wasserdampf gesättigt, kondensiert genauso viel Wasserdampf wie Wasser verdunstet.
Bei windiger Luft trocknet Wäsche recht schnell, da der Wind die gesättigte Grenzschicht fortbläst und ein großes Konzentrationsgefälle aufrecht erhält.
Die Übergangsbedingungen zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt, welche in der rechten Abbildung dargestellt ist.
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 T-s-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221,2 bar. Oberhalb dieser Temperatur sind Wasserdampf und flüssiges Wasser in ihrer Dichte nicht mehr voneinander zu unterscheiden, weshalb man diesen Zustand „überkritisch“ nennt. Überkritisches Wasser hat chemisch gesehen besonders aggressive Eigenschaften. Es wurden daher Versuche unternommen mit dessen Hilfe biologisch schwer abbaubare organische Schadstoffe, wie z.B. Dioxine, PCB etc., hydrolytisch zu spalten. Unterhalb des kritischen Punktes ist der Wasserdampf folglich „unterkritisch“, wobei er sich in einem Gleichgewicht mit dem flüssigen Wasser befindet. Wird er in diesem Bereich nach dem vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit 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 Massenanteil x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen lässt:
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 Massenanteil mit w angegeben wird und x hier mehrheitlich für den Stoffmengenanteil 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, Diagramme und Formeln
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 erfasst.
T-s-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.
h-s-Diagramm
Bei einem Mollier-Diagramm wird die Entropie des Dampfes auf der x-Achse und die zugehörige Enthalpie auf der y-Achse aufgetragen. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Wasserdampfes lassen sich hier nicht so einfach interpretieren, jedoch können die zur Umwandlung des Dampfes notwendigen Wärmemengen, also beispielsweise die Verdampfungsenthalpie, 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):
mit der Temperatur θ in °C und den Koeffizienten
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 Temperaturen der Luft vor allem in der Meteorologie und in der Bauphysik verwendet.
Mit leicht unterschiedlichen Koeffizienten
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, das heißt 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 beste bzw. praktischste 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.
Beeinflussung des Klimas
Im terristischen Wettergeschehen spielt Wasserdampf eine entscheidende Rolle. Ein kg Luft kann bei 30 °C bis zu 30 Gramm Wasserdampf als Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Diese Menge fällt beispielsweise bei 10 °C auf etwa 10 g/kg ab. Die überschüssige Menge wird als Tau, Reif, Rauhreif, Nebel, Schnee oder Regen aus der Luft ausgeschieden. Durch die Bildung von Wolken aufgrund des kondensierenden Wasserdampfs wird eine starke Dämpfung der Sonneneinstrahlung auf die Erde hervorgerufen.
Der in der Erdatmosphäre vorhandene Wasserdampf ist zudem ein Treibhausgas und zu einem großen Teil (66 %) für den Treibhauseffekt verantwortlich, wobei dieser die globale Durchschnittstemperatur von circa -18 °C auf ein Niveau von 15 °C anhebt, welches das Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglicht. In der Stratosphäre vorhandene 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% (siehe polare Stratosphärenwolken) 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.
Natürliches Vorkommen
Reiner Wasserdampf kommt in der Natur auf der Erde weiterhin in Vulkanen, Fumarolen und bei Geysiren vor. Hierbei ist er der wichtigste Parameter bei vulkanischen Eruptionen und bestimmt deren Charakter mit. Es ist dabei maßgebend, dass viele Minerale bzw. Gesteine Wasser oder andere flüchtige Stoffe in ihr Kristallgitter einbinden, besonders unter der Wirkung hoher Drücke. Da Magma beim Aufsteigen in der Kruste eine Druckentlastung erfährt, treibt der Wasserdampf zusammen mit anderen Fluiden aus dem Magma aus und bildet Blasen, welche durch den Druck jedoch zunächst nicht frei expandieren. Unterschreitet der Druck einen bestimmten Wert, so verbinden sich diese Fluidblasen jedoch und führen zu einer Art enormen Siedeverzug, werden also explosionsartig frei. Dabei reißen sie jedoch auch größere Mengen Magma mit und verursachen die vergleichsweise seltenen explosiven Vulkanausbrüche. Da der Anteil an Fluiden in den Gesteinen bei konvergierenden Plattengrenzen besonders groß ist, zeigt sich bei diesen auch die deutlichste Tendenz für diesen Vulkantyp.
Wasserdampf ist zudem ein wichtiges Hilfsmittel für den menschlichen Wärmehaushalt. Bei hohen Umgebungstemperaturen wird durch Schwitzen die überschüssige Körperwärme (Verdunstungskälte) an die Umgebung abgegeben. Die dabei umgesetzten Wärmemengen sind erheblich, zur Verdunstung eines Gramms Schweiß werden 2,43 kJ Wärme benötigt. Der gesunde Mensch erzeugt bei normalen Umgebungstemperaturen täglich etwa 500 g Wasserdampf durch Schwitzen, hinzu kommt noch einmal die doppelte Menge mit der ausgeatmeten Atemluft. Mit dieser Menge wird die Körpertemperatur auf 37°C geregelt.
Wasserdampf als Abgas
Bei der Verbrennung von Erdölprodukten werden die Kohlenwasserstoffe der Erdölfraktionen im wesentlichen in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umgesetzt. Im Autoverkehr sind dies Leichtbenzine und Diesel, im Luftverkehr Kerosin, in der Hausheizung Erdgas(Methan) und Heizöl und in der Industrie Schweröle. Bei der Verbrennung von Methan(Erdgas), wie es weit verbreitet in der Hausheizung der Fall ist, fällt wegen der 4-atomigen Wasserstoff-Struktur des Methans doppelt soviel Wasserdampf wie Kohlenstoffdioxid an. Dies ist der Grund dafür, weshalb Brennwertgeräte für Erdgas effektiver arbeiten als solche für Heizöl, welches, wie alle anderen genannten Brennstoffe, Wasserdampf im gleichen Mengenanteil wie Kohlenstoffdioxid freisetzt.
Wasserdampf wird bei vielen großtechnischen Wärmeumwandlungsprozessen als Abfallprodukt in die Atmosphäre eingetragen. Als Abgas wird Wasserdampf auch in der Wasserstoffwirtschaft auftreten.
Nutzung in der Technik
Wasserdampf wird in der Technik in Dampfkesseln erzeugt und beispielsweise zu folgenden Zwecken verwendet:
- als Arbeitsmittel in Dampfmaschinen, Dampflokomotiven und Dampfturbinen,
- in Dampfheizungen als Träger der Wärmeenergie.
- zum Fördern von flüssigem Wasser mit einer Dampfstrahlpumpe,
- als Brüden zum Eindampfen von Flüssigkeiten und zum Trocknen von Feststoffen,
- bei der Wasserdampfdestillation als Treibmittel,
Die derzeit größten Kraftwerk-Dampferzeuger haben eine Leistung von bis zu 3600 Tonnen Dampf pro Stunde. Derartige Mengen werden beispielsweise mit einem Wasserrohrkessel bereit gestellt.
Beim technischen Einsatz von Wasserdampf ist zu beachten, dass Nassdampf im Unterschied zu den meisten anderen Flüssigkeiten und Gasen nicht gepumpt werden kann. Die beim Verdichten des Dampfes auftretenden Wasserschläge würden die Fördermaschine innerhalb kürzester Zeit zerstören.
Weitere Anwendungen
- zur Reinigung mittels Dampfreinigern,
- in der Küche zur schnellen und schonenden Zubereitung von Lebensmitteln in einem Schnellkochtopf,
- zum Biegen von Planken im Bootsbau,
- zum Erzeugen eines Vakuums in geschlossen Druckbehältern durch Verdrängung der Luft und anschließender Kondensation,
- zur Sterilisation von medizinischen und mikrobiologischen Instrumenten (sog. autoklavieren),
- im Haushalt zum Bügeln von Wäsche.
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.
Gefahren durch Wasserdampf
Geringe Mengen Wasserdampf können große Mengen Wärme und damit Energie 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 haben in der Vergangenheit mit einem Schlag ganze Industriebetriebe ausgelöscht.
Der mit hoher Temperatur und Druck aus einer defekten Rohrleitung frei austretende Wasserdampf ist unsichtbar und kann einen Strahl von erheblicher Länge bilden. 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.
Siehe auch
Literatur
- 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