Verdunstung

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Verdunstung

Bei einer Verdunstung geht ein Stoff vom fl√ľssigen in den gasf√∂rmigen Zustand √ľber, ohne dabei zu sieden.

Inhaltsverzeichnis

Vereinfachte Beschreibung

Bringt man eine Fl√ľssigkeit in ein evakuiertes Gef√§√ü, so verdampft sie, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Fl√ľssigkeit und Dampfphase eingestellt hat. Der Druck, der dann in dem Gef√§√ü herrscht, ist der Dampfdruck der Fl√ľssigkeit. √Ėffnet man nun das Gef√§√ü, so wird die Atmosph√§re im Gef√§√ü ausgetauscht. Dies st√∂rt das Gleichgewicht zwischen Dampfphase und Fl√ľssigkeit, so dass weitere Fl√ľssigkeit verdampft. Dieser Prozess hei√üt Verdunsten.

Einordnung des Phänomens in die Thermodynamik

Die Verdunstung selbst stellt eine Phasenumwandlung dar und leitet sich deshalb auch aus den Gesetzen der Thermodynamik ab, ohne die man diesen Prozess nicht verstehen kann. Entsprechend der Maxwell-Boltzmann-Verteilung weisen die Teilchen eines Gases, aber auch in √§hnlicher Form die Teilchen einer Fl√ľssigkeit, eine Geschwindigkeitsverteilung auf. Es existieren daher bei beiden immer zugleich langsame und schnellere Teilchen, wobei diese √ľber eine spezifische kinetische Energie verf√ľgen und der Anteil sowie die Geschwindigkeit der schnelleren Teilchen mit steigender Temperatur zunehmen. Da schnelle Teilchen mit einer ausreichend hohen kinetischen Energie hierbei in der Lage sind, die Anziehungskr√§fte zu √ľberwinden, die durch ihre Nachbarteilchen auf sie wirken, wechseln immer einige von ihnen von der fl√ľssigen in die gasf√∂rmige Phase. Es treten jedoch auch immer verlangsamte Teilchen der gasf√∂rmigen Phase in die fl√ľssige Phase zur√ľck, weshalb sich mit der Zeit, ohne eine Beeinflussung von au√üen und ohne dass eine der Phasen aufgebraucht wird, ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. In der Erdatmosph√§re wird ein solches Gleichgewicht jedoch nicht immer erreicht, und falls es so gest√∂rt ist, dass mehr Teilchen aus der fl√ľssigen Phase austreten als in sie eintreten, spricht man von einer Verdunstung. Die Verdunstung kann auch zum vollst√§ndigen Verschwinden der fl√ľssigen Phase f√ľhren, was man als Austrocknung bezeichnet.

Die fl√ľssige Phase k√ľhlt sich beim Verdunstungsprozess ab und f√ľhrt so zur so genannten Verdunstungsk√ľhlung, wobei der Umgebung die Verdunstungsw√§rme in Form von Latenter W√§rme zugef√ľhrt wird.

Verdunsten vs. Sieden

Im thermodynamischen Gleichgewicht entspricht der Partialdruck dem S√§ttigungsdampfdruck der Gasphase der verdunstenden Substanz. Verdunstung tritt also dann auf, wenn der S√§ttigungsdampfdruck gr√∂√üer ist als der Partialdruck. Dieser Prozess l√§uft jedoch langsam ab, da die fl√ľssige Phase in sich stabil ist, solange der Dampfdruck unterhalb des Gesamtdruckes liegt. Entspricht der Dampfdruck jedoch dem Gesamtdruck oder √ľbersteigt diesen, so ist der Siedepunkt erreicht und es siedet die Substanz. Verdunstung ist also nur m√∂glich, wenn noch ein stofffremdes Gas vorhanden ist ‚Äď in der Regel Luft ‚Äď das den Restdruck zur Verf√ľgung stellt. Der umgekehrte Prozess ‚Äď die Kondensation ‚Äď findet statt, wenn der Dampfdruck unter dem Partialdruck liegt.

Wasserverdunstung

Die Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft in Funktion der Temperatur.

Wasser verdunstet schon bei Raumtemperatur, sofern die Luft nicht mit Wasserdampf ges√§ttigt ist, was dem oben beschriebenen dynamischen Gleichgewicht entsprechen w√ľrde. Da dieses bei nahezu allen anderen Stoffen nicht der Fall ist und Wasser in der Erdatmosph√§re eine herausragende Rolle spielt, wird von einer Verdunstung meistens nur in Zusammenhang mit Wasser gesprochen. Auf dem Prinzip der Wasserverdunstung beruht beispielsweise das Freilufttrocknen von W√§sche oder das Verschwinden von Wasserpf√ľtzen. Der Effekt der Verdunstungsk√ľhlung durch Wasser ist die Grundlage f√ľr den Effekt der Thermoregulation durch Schwitzen, indem der Haut die Verdunstungsw√§rme entzogen und diese dadurch abgek√ľhlt wird.

In der √Ėkologie, Meteorologie und Klimatologie wird zwischen Transpiration (Schwitzen + Blattverdunstung) und Evaporation (Verdunstung von Wasser auf unbewachsenem/freiem Land oder Wasserfl√§chen bezeichnet) als Formen der Verdunstung unterschieden, wobei man beide auch zur Evapotranspiration zusammenfasst.

Die Aufnahme von Wasser in die Erdatmosphäre durch Verdunstung spielt sich dabei auf der Erdoberfläche, also beispielsweise Wasserflächen, Böden und Pflanzen ab. Abhängig ist die Verdunstung hauptsächlich von folgenden Faktoren:

Durch die vielfältigen Parameter, von denen die Verdunstung abhängig ist, wird deren Bestimmung sehr schwierig und aufwändig. Meistens wird die Verdunstung deshalb nicht gemessen, sondern unter Zuhilfenahme mathematischer Modelle lediglich mit einer Näherung geschätzt. Die resultierende Verdunstung pro Zeiteinheit, also sozusagen die Verdunstungsgeschwindigkeit, bezeichnet man als Verdunstungsrate.

Man unterscheidet die potentielle Verdunstung, welche die aufgrund der meteorologischen Bedingungen prinzipiell mögliche Verdunstungsrate darstellt, von der tatsächlichen Verdunstung, die den real vorhandenen Wassergehalt, beispielsweise des Bodens, mit einbezieht. Dabei ist die potentielle Verdunstung immer größer oder gleich der tatsächlichen Verdunstung. Bei Trockenheit, also vor allem in ariden Klimazonen, können sich beide Werte stark unterscheiden.

Berechnung und Messung

Die Verdunstung l√§sst sich nur mit hohem Aufwand messen, meistens durch Evaporimeter oder Lysimeter. Gemessen wird dabei die so genannte Grasreferenzverdunstung, die aufgrund der eher theoretischen Definition der potenziellen Verdunstung als dessen messtechnisches Synonym genutzt wird. Wesentlich st√§rker verbreitet sind hingegen eine gro√üe Zahl unterschiedlicher N√§herungsformeln, die angepasst an verschiedene Einflussfaktoren zur Berechnung der Verdunstung dienen k√∂nnen. Deren Fehler richtet sich vor allem nach den jeweils zur Verf√ľgung stehenden Daten, was insbesondere in Bezug auf Einflussfaktoren wie Nutzung, Bewuchs, Wurzeltiefe und hydrologische Bodeneigenschaften problematisch ist. N√§herungsformeln auf Basis meteorologischer Standardmessgr√∂√üen erreichen jedoch im Allgemeinen nur eine sehr beschr√§nkte Genauigkeit.

Beispiele zur technischen Nutzung der Verdunstung

Die offene Verdunstung ist auf Grund der Nutzung von Umwelt- und Sonnenenergie ein recht energiesparsamer Prozess. Darum wird er auch großtechnisch genutzt, wo die Produktstabilität es zulässt. Bei der Lithiumgewinnung wird die Sole vor dem Transport in der Salar de Atacama, Chile, oder in Silver Peak, USA, in riesigen Solarteichen durch Verdunstung teilweise um den Faktor 40 aufkonzentriert. Hierbei kann die Durchlaufzeit durch mehr als 10 Solarteiche bis zu zwei Jahre betragen. Ein weiteres Beispiel ist die Gewinnung von Meersalz aus Meerwasser. In Dampier, Australien, werden hierzu Salzgärten auf einer Fläche von mehr als 9000 ha betrieben. Zwar kann die Verdunstung in Solarteichen in Deutschland wegen der hohen Niederschläge und der relativ geringen Sonneneinstrahlung nicht genutzt werden. Aber auch hier wird die Verdunstung zur Salzgewinnung in Gradierwerken genutzt.

Eine weitere technische Anwendung der Verdunstung ist die solare Kl√§rschlammtrocknung. Der in der Abwasserreinigung anfallende und vorentw√§sserte Kl√§rschlamm wird dazu in Trocknungshallen mit transparenter Geb√§udeh√ľlle (Folie-, Polycarbonat- oder Glaseindeckung) gro√üfl√§chig aufgebracht. Die einstrahlende Sonne erw√§rmt den lagernden Kl√§rschlamm, wodurch der Dampfdruck im Kl√§rschlamm gegen√ľber der dar√ľberstehenden Luft erh√∂ht wird und Wasser aus dem Kl√§rschlamm verdunstet. Die feuchte Luft wird √ľber eine computergesteuerte L√ľftungstechnik aus der Trocknungshalle abgef√ľhrt. So wird aus dem Abfall Kl√§rschlamm nachwachsender Sekund√§rbrennstoff [1] mit einem Heizwert von 8‚Äď11 MJ/kg TS [2] (entspricht ca. 2-3 kWh/kg TS; Umrechnung: 1 MJ = 0,2778kWh) hergestellt, der in Kohlekraft- und Zementwerken fossile Energietr√§ger ersetzt. Die gr√∂√üte solare Kl√§rschlammtrocknungsanlage mit 7.200 m¬≤ Trocknungsfl√§che wird zurzeit in Nicaragua nach dem Wendewolf - Verfahren [3] [4] betrieben.[5][6]

Den f√ľr den Verdunstungsprozess notwendigen Energieaufwand machten sich die Menschen schon in der Antike zunutze, um Getr√§nke und andere Lebensmittel zu k√ľhlen. Diese wurden in por√∂sen Tongef√§√üen aufbewahrt und durch die Verdunstung eines kleinen Teils der Fl√ľssigkeit durch die Gef√§√üwand hindurch konnte der verbleibende gr√∂√üere Rest relativ k√ľhl gehalten werden. Auch mit Filz oder Leder √ľberzogene Feldflaschen nutzen diesen K√ľhleffekt, wozu sie angefeuchtet werden m√ľssen.

Weitere Anwendungsbeispiele sind die Messung der Luftfeuchtigkeit mithilfe eines Psychrometers.

Siehe auch

Weblinks


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