Wasserdampf

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Wasserdampf
Siedendes Wasser, Dampfblasen und teilkondensierter Wasserdampf
Wasserdampf

In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von teilweise bereits kondensierendem Wasserdampf (Nassdampf), wie er als Nebel oder in Wolken vorkommt.

Im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext ist Wasserdampf gasförmiges Wasser, das in diesem Aggregatzustand unsichtbar ist wie Luft. Jedoch wird auch in diesem Zusammenhang von Wasserdampf und nicht von Wassergas gesprochen, da letzterer Begriff anders belegt ist.


Inhaltsverzeichnis

Entstehung und Zustände

Bei einem normalen Umgebungsdruck von 1,013 bar (101,325 kPa) siedet Wasser bei 100 ¬įC. Wird dem verbliebenen Wasser dar√ľber hinaus Energie (W√§rme) zugef√ľhrt, verdampft es, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Aus 1 Liter (entsprechend 1 kg) Wasser entstehen 1673 Liter Wasserdampf (unter Normalbedingungen), wof√ľr eine Energiezufuhr von 2.257 kJ ben√∂tigt wird.

Die zugef√ľhrte Energie erh√∂ht die innere Energie des Dampfes um 2.088 kJ und leistet gegen√ľber dem Umgebungsdruck eine Volumen√§nderungsarbeit W.

TS-Wasserdampf 100.png
\begin{align}
 W = p \cdot  \Delta  V &= {101{,}325\ \mathrm{kPa} \cdot 1{,}673\ \mathrm{m}}^3
 \\&= {169{,}51\ \mathrm{kNm}} = {169{,}51\ \mathrm{kJ}}
\end{align}

Beide Beitr√§ge addiert ergeben die Verdampfungsenthalpie H, die sich in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm (h-s-Diagramm) in Form einer Differenz auf der y-Achse als spezifische Gr√∂√üe ablesen l√§sst. Das hier abgebildete T-s-Diagramm stellt die f√ľr die Verdampfung (bei 100 ¬įC) notwendige W√§rme in Form der gepunkteten blauen Fl√§che dar.

Ebenso l√§sst sich dabei der Zuwachs an Verdampfungsentropie őĒS (Delta S) ermitteln:

  • QH = Verdampfungsw√§rme oder Verdampfungsenthalpie
  • T = Siedetemperatur in K
\begin{align}
\Delta S &= \frac{Q_H}{T} \\
         &= \frac{2257 \; \mathrm{kJ}}{373{,}15 \; \mathrm{K}} = 6{,}0485 \; \mathrm{\frac{kJ}{K}}
\end{align}


Wie aus dem Phasendiagramm entnommen wird, siedet Wasser bei einem Luftdruck von 0,4 bar schon bei etwa 75 ¬įC (so etwa auf dem Mount Everest). Die aufzuwendende Verdampfungsw√§rme ist entsprechend gr√∂√üer, ebenso die Volumenzunahme des Dampfes. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungsw√§rme des Wassers ab, bis sie im kritischen Punkt gleich Null ist. Darausfolgend die kleiner werdenden Fl√§chen im T-s-Diagramm

Erscheinungsformen

Siedepunktskurve des Wassers

Der Dampfdruck des Wassers ist temperaturabh√§ngig. Bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes spricht man von Verdunstung. In ges√§ttigter Umgebungsluft stellt sich ein Gleichgewicht zwischen verdunstendem Wasser und kondensierendem Wasserdampf ein. Die √úbergangsbedingungen zwischen fl√ľssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt.

Nassdampf

Wenn Dampf in eine k√§ltere Umgebung str√∂mt, kondensieren Teile des gasf√∂rmigen Wassers wieder zu feinsten Tr√∂pfchen. Ein solches Gemisch bezeichnet man als Nassdampf, der zum Beispiel beim Wasserkochen beobachtet werden kann. Im T-s-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 ¬įC und 221,2 bar.

Der Inhalt des Nassdampfes an fl√ľssigem Wasser ist durch den Massenanteil x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen l√§sst

x = \frac{m_{\rm Dampf}}{m_{\rm Fl\ddot ussigkeit} + m_{\rm Dampf}}

Heißdampf

√úberhitzter Dampf

‚Üí Hauptartikel: Hei√üdampf und √úberhitzer

√úberhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur. Der Dampf ist ‚Äětrocken‚Äú und enth√§lt keine Tr√∂pfchen. In Dampfkesseln wird der erzeugte Dampf mittels des √úberhitzers in diesen Zustand gebracht.

√úberkritischer Dampf

‚Üí Hauptartikel: √úberkritisches Wasser

Oberhalb des kritischen Punktes sind Wasserdampf und fl√ľssiges Wasser in ihrer Dichte nicht mehr voneinander zu unterscheiden, weshalb dieser Zustand als ‚Äě√ľberkritisch‚Äú bezeichnet wird. Unterhalb des kritischen Punktes ist der Wasserdampf folglich ‚Äěunterkritisch‚Äú, wobei er sich im Gleichgewicht mit dem fl√ľssigen Wasser befindet. Wird er in diesem Bereich nach dem vollst√§ndigen Verdampfen der Fl√ľssigkeit √ľber die zugeh√∂rige Verdampfungstemperatur weiter erw√§rmt, so entsteht ‚Äě√ľberhitzter Dampf‚Äú. Diese Form des Dampfes enth√§lt keine Wassertr√∂pfchen mehr und ist in ihrem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas.

√úberkritisches Wasser hat besonders aggressive Eigenschaften. Es wurden daher Versuche unternommen, mit dessen Hilfe biologisch schwer abbaubare organische Schadstoffe, wie Dioxine, PCB hydrolytisch zu spalten.

F√ľr den Dampfkessel erfordert der √ľberkritische Zustand eine besondere Bauart. Wegen des geringen Dichteunterschieds zwischen Wasser und Dampf kommt kein Auftrieb und damit kein stabiler Naturumlauf zustande. Kessel, die √ľber oder auch nahe unter dem kritischen Punkt betrieben werden, sind deshalb immer Zwangslaufkessel. Da bei √ľberkritischen Kesseln keine Trennung von Dampf- und Wasserphase mehr notwendig oder m√∂glich ist, entf√§llt die Trommel und die Bauart ist ein Zwangsdurchlaufkessel, oft vom Typ Benson.

Sattdampf oder trocken gesättigter Dampf

Der Grenzbereich zwischen Nass- und Hei√üdampf hei√üt ‚ÄěSattdampf‚Äú, auch ges√§ttigter Dampf oder trocken ges√§ttigter Dampf, gelegentlich in Abgrenzung zum Nassdampf auch ‚ÄěTrockendampf‚Äú. Die meisten Tabellenwerte zu Wasserdampfzust√§nden sind darauf bezogen.

Grenzkurven

Im T-s-Diagramm kommt den beiden Grenzkurven x = 0 und x = 1 eine besondere Bedeutung zu, die sich im kritischen Punkt treffen.

  • Die Kurve x = 0, auch Siedelinie oder untere Grenzlinie, grenzt das Gebiet der Fl√ľssigkeit vom Nassdampf ab, w√§hrend
  • die Kurve x = 1, auch Taulinie, Sattdampfkurve oder obere Grenzlinie, den Nassdampf vom Hei√üdampf trennt und gleichzeitig den Zustand des Sattdampfes markiert.

Die Schreibweise mit x f√ľr den Massenbruch ist hierbei nicht einheitlich definiert, da vor allem in der Chemie der Massenanteil mit w angegeben wird und x hier mehrheitlich f√ľr den Stoffmengenanteil steht. Beide Gr√∂√üen lassen sich ineinander umrechnen und gleichen sich in den Grenzwerten 0 und 1.

Kondensierter Wasserdampf in der Luft

Erscheinung

Gasf√∂rmiger oder √ľberhitzter Wasserdampf ist farblos und eigentlich unsichtbar, wie die meisten Gase. Nassdampf ist durch die mitgerissenen Wassertropfen dagegen sichtbar. Bei Kontakt mit hinreichend k√ľhler Umgebungsluft kommt es zur Unterschreitung des Taupunktes und folglich zu einer Kondensation weiterer feinster Wassertropfen. Die Existenz des Wasserdampfs in der Luft wir durch das an den Tr√∂pfchen gestreute Licht sichtbar, wenn diese Tr√∂pfchen gro√ü gegen die Wellenl√§nge der Strahlung sind.

Wasserdampf kann auch direkt aus der festen Phase von Wasser entstehen: Eis oder Schnee werden ‚Äěvon der Sonne weggeleckt‚Äú. Dieses Ph√§nomen wird besonders bei trockener Luft im Hochgebirge beobachtet, wenn verschneite H√§nge bei Temperaturen von weit unter 0 ¬įC mit der Zeit schneefrei werden. Das Eis, also das feste Wasser sublimiert zu Wasserdampf. Die Luftfeuchte nimmt durch Abdampfen aus dem Schnee zu, und zuvor verschneite Fl√§chen apern aus, ein Ph√§nomen beispielsweise im Himalaya. Aus denselben Ursachen trocknet im Freien aufgeh√§ngte W√§sche auch bei Temperaturen unter Null, sobald die relative Luftfeuchtigkeit gering genug ist.

In der Luft unsichtbar vorhandener Wasserdampf kondensiert unter besonderen Bedingungen (durch Kristallisationskeime) und wird sichtbar, etwa wenn ein Flugzeug in Bodenn√§he mit hoher Geschwindigkeit fliegt, dieser im Bild deutlich sichtbare Effekt wird of f√§lschlich als ‚Äědie Schallmauer‚Äú bezeichnet, dieser Effekt ist jedoch kein √úber- oder Unterschalleffekt. Durch die hohe Anstr√∂mgeschwindigkeit der Luft kann aus str√∂mungsmechanischen Gr√ľnden, beispielsweise hohe Druckschwankungen, die Temperatur der anstr√∂menden Luft stark und somit unter den Taupunkt abfallen, was zu einer Auskondensation f√ľhrt. Der Wasserdampf im hei√üen Abgas wird hingegen von der sich erw√§rmenden Luft aufgenommen.

Sieden

Siedeformen des Wassers

In Abh√§ngigkeit von der W√§rmestromdichte, die der siedenden Fl√ľssigkeit √ľber eine Heizfl√§che zugef√ľhrt wird, bilden sich unterschiedliche Formen des Siedens.

Liegt die Temperatur der Heizfl√§che √ľber einige Grad der Siedetemperatur, bilden sich an Unebenheiten Blasenkeime. Bis zu W√§rmestromdichten von 2 kW/m¬≤ bilden sich Blasen, die beim Hinaufsteigen wieder kondensieren. Diese Siedeform wird als stilles Sieden bezeichnet.

Mit steigender W√§rmestromdichte nimmt die Blasenbildung zu, und die Blasen erreichen die Oberfl√§che. Die an den Heizfl√§chen abrei√üenden Blasen f√ľhren zu einem hohen W√§rme√ľbergangskoeffizienten. Die Wandtemperaturen steigen nicht wesentlich √ľber die Siedetemperatur (bis etwa 30 K). Beim Blasensieden k√∂nnen W√§rmestromdichten bis 1000 kW/m¬≤ erreicht werden.

Wird die W√§rmestromdichte dann noch weiter gesteigert, setzt sprunghaft das Filmsieden ein: Es bildet sich ein durchgehender Dampffilm. Dieser wirkt wie eine Isolierschicht, und der W√§rme√ľbergangskoeffizient wird drastisch reduziert. Wird der W√§rmestrom nicht reduziert, so wird erst dann wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die W√§rme durch ausreichend hohe W√§rmestrahlung abgegeben werden kann. Dieser Zustand wird aber erst bei einer √úberhitzung der Heizfl√§che von rund 1000 K erreicht. In der Regel wird bei diesem √úbergang vom Blasensieden zum Filmsieden die Heizfl√§che zerst√∂rt.

Um einer Zerst√∂rung von Heizfl√§chen an Dampfkesseln vorzubeugen, wird die maximale W√§rmestromdichte auf 300 kW/m¬≤ begrenzt. In kleineren F√§llen gibt es das √úberschie√üen durch einen Siedeverzug.

Tabellen, Diagramme und Formeln

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Entropie-Temperatur-Diagramm von Wasserdampf (1 MPa = 10 bar)

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Mollier Entropie-Enthalpie-Diagramm f√ľr Wasserdampf (1 bar = 0,1 MPa)

Wegen seiner enormen Bedeutung f√ľr die Energiewirtschaft z√§hlt Wasserdampf zu den am besten erforschten Stoffen in der Thermodynamik. Seine physikalischen Eigenschaften wurden durch umfangreiche und h√§ufige Messungen und Berechnungen bestimmt und in umfangreichen Tabellenwerken, den so genannten Wasserdampftafeln[1], erfasst.

T-s-Diagramm

‚Üí Hauptartikel: T-s-Diagramm

Im T-s-Diagramm ist zu erkennen, dass beim √úbergang von Fl√ľssigkeit zu Dampf die Entropie zunimmt. Dies entspricht der Anschauung, dass die Teilchen einer Fl√ľssigkeit wesentlich geordneter sind als die chaotische Vermengung der Teilchen bei einem Gas. Die Entropie wird auf der Abszisse aufgetragen. Eine weitere Besonderheit des Diagramms ist seine Eigenschaft, die zur Verdampfung des Wassers notwendige W√§rmemenge als Fl√§che darzustellen. Mit der Beziehung: őĒH = T ¬∑ őĒS ergibt sich f√ľr die Verdampfungsenthalpie eine Rechteckfl√§che, die zwischen T = 0 K und der jeweiligen Verdampfungsgeraden aufgespannt wird.

h-s-Diagramm

Siehe auch: Mollier und h-s-Diagramm

Bei einem Mollier-Diagramm wird die Entropie des Dampfes auf der Abszisse und die zugehörige Enthalpie auf der Ordinate aufgetragen. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Wasserdampfes lassen sich zwar nicht einfach interpretieren, jedoch können die zur Zustandsänderung des Dampfes nötigen Wärmemengen, also beispielsweise die Verdampfungsenthalpie, direkt von der Ordinate abgelesen werden.

Magnus-Formel

Eine N√§herungsformel f√ľr die Berechnung des S√§ttigungsdampfdruckes in Abh√§ngigkeit von der Temperatur ist die Magnus-Formel.

E_{(\theta)}=E_{\mathrm(\theta=0\,^{\circ}\mathrm{C})}\cdot\exp\left(\frac{C_1\theta}{C_2+\theta}\right)\ ;

Temperatur őł in ¬įC, Koeffizienten E_{(\theta=0\,^{\circ}\mathrm{C})}=610{,}78\,\mathrm{Pa}\ ,

C_1=\left\{\begin{matrix}
17{,}08085&\mbox{falls }\theta\ge 0\,{}^{\circ}\mathrm{C}\\
17{,}84362&\mbox{falls }\theta<0\,{}^{\circ}\mathrm{C}
\end{matrix}\right.\ ,\quad  \quad C_2=\left\{\begin{matrix}
234{,}175\,{}^{\circ}\mathrm{C}&\mbox{falls }\theta\ge 0\,{}^{\circ}\mathrm{C}\\
245{,}425\,{}^{\circ}\mathrm{C}&\mbox{falls }\theta<0\,{}^{\circ}\mathrm{C}
\end{matrix}\right.

Diese Formel ist sehr genau (unterhalb 0,22 %) im Bereich zwischen 0 und 100 ¬įC und immer noch gut (unterhalb 4,3 %) zwischen ‚ąí20 und 374 ¬įC, der maximaler Fehler liegt bei 290 ¬įC. Wegen des einfachen Aufbaus und der hohen Genauigkeit wird sie zur Taupunktbestimmung 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 \qquad 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 f√ľr bauphysikalische Berechnungen √ľbereinstimmt.

Die Magnus-Formel wurde von Heinrich Gustav Magnus empirisch ermittelt und seitdem lediglich durch genauere Werte der Koeffizienten erg√§nzt. Eine aus der Thermodynamik abgeleitete Gesetzm√§√üigkeit f√ľr Phasendiagramme stellt die Clapeyron-Gleichung und die Clausius-Clapeyron-Gleichung dar. Aufgrund vieler praktischer Probleme in Bezug auf diese eher theoretischen Gleichungen stellt die Magnus-Formel jedoch trotzdem die beste und praktikabelste N√§herung dar.

Näherungs-Formel

Eine brauchbare Faustformel f√ľr die Berechnung der Sattdampftemperatur aus dem Sattdampfdruck und umgekehrt ist

{\theta} = \sqrt[4]{p} \cdot 100 ,

wenn man den Druck p in bar (absolut) einsetzt. Die zugeh√∂rige Temperatur őł ergibt sich in Grad Celsius. Diese Formel ist im Bereich p kr. > p > p = 3 bar (200 ¬įC > őł > 100 ¬įC) auf etwa 3 % genau.

Klimaeffekte

Maximaler Wasserdampfgehalt von Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

Im terrestrischen Wettergeschehen spielt Wasserdampf eine entscheidende Rolle. Ein Kilogramm Luft kann bei 30 ¬įC und 1 bar Druck etwa 26 Gramm Wasserdampf als Luftfeuchtigkeit aufnehmen. Diese Menge f√§llt bei 10 ¬įC auf etwa 7,5 g/kg ab. Die √ľbersch√ľssige Menge wird je nach Wetterlage als Niederschlag in Form von Regen, Schnee, Hagel, Nebel, Tau, Reif oder Raureif aus der Luft ausgeschieden. Durch die Bildung von Wolken aus kondensierenden Wasserdampfs wird eine D√§mpfung der Sonneneinstrahlung auf die Erde hervorgerufen.

Der in der Erdatmosph√§re vorhandene Wasserdampf ist mit um 36 % bis zu 70 % Anteil die Hauptquelle der Gegenstrahlung an der Erdoberfl√§che und Tr√§ger des ‚Äěnat√ľrlichen‚Äú Treibhauseffektes.[2] Die St√§rke der Gegenstrahlung ist kein Synonym f√ľr die Gr√∂√üe des nat√ľrlichen Treibhauseffekts. In der Troposph√§re (und haupts√§chlich nur dort ist Wasserdampf vorhanden) ist der Temperaturgradient nicht durch die Strahlung, sondern durch die Vertikalzirkulation bestimmt. Ohne Wasserdampf w√§re der Gradient und damit die Oberfl√§chentemperatur h√∂her. Der Treibhauseffekt ist f√ľr den Strahlungshaushalt der Erde ein wichtiger Effekt und hat eine Erh√∂hung der globalen Durchschnittstemperatur auf ein Niveau von 15 ¬įC zur Folge. Das Leben auf der Erde wurde dadurch √ľberhaupt erst m√∂glich. Als Durchschnittstemperatur ohne Treibhauseffekt wird meistens eine Durchschnittstemperatur von etwa ‚ąí18 ¬įC angegeben. Realer ist eine Unterscheidung der Abstrahlung: hoch in der √Ąquatorregion und gering in den polaren Regionen. Eine solche Verteilung der Abstrahlung hat aber eine bedeutend niedrigere Durchschnittstemperatur zur Folge, wie beispielsweise der Mond zeigt.

In der Stratosph√§re vorhandene Spuren von Wasserdampf gelten andererseits als besonders klimasch√§dlich. Die Klimaforscher beobachteten in den letzten 40 Jahren ein Anwachsen des Wasserdampfs in der Stratosph√§re um 75 % (siehe polare Stratosph√§renwolken) und machen diesen f√ľr die Erh√∂hung der mittleren Erdtemperatur mitverantwortlich.[3] Die Herkunft des Wasserdampfs in diesen H√∂hen ist noch unklar, man vermutet jedoch einen Zusammenhang mit der in den letzten Jahrzehnten stark gestiegenen Methanausbringung durch die industrielle Landwirtschaft. Methan wird in diesen gro√üen H√∂hen zu Kohlendioxid und Wasserdampf oxidiert, womit allerdings nur die H√§lfte des Zuwachses zu erkl√§ren ist.

Nat√ľrliches Vorkommen

Verteilung des Wasserdampfs in der Erdatmosph√§re. Der kondensierbare Wasserdampf einer Lufts√§ule √ľber einer Grundfl√§che von einem Quadratmeter wird in Zentimeter angegeben

Reiner Wasserdampf entsteht in der Natur auf der Erde in Vulkanen, Fumarolen und bei Geysiren. Es ist der wichtigste Parameter bei vulkanischen Eruptionen und bestimmt deren Charakter mit. Es ist dabei ma√ügebend, dass viele Minerale bzw. Gesteine Wasser oder andere fl√ľchtige Stoffe in ihr Kristallgitter einbinden, besonders unter der Wirkung hoher Dr√ľcke. Da Magma beim Aufsteigen in der Kruste eine Druckentlastung erf√§hrt, treibt der Wasserdampf zusammen mit anderen Fluiden aus dem Magma aus und bildet Blasen, welche durch den Druck zun√§chst jedoch nicht frei expandieren. Unterschreitet der Druck einen bestimmten Wert, so verbinden sich diese Fluidblasen und f√ľhren zu einer Art enormen Siedeverzug, werden also explosionsartig frei. Dabei rei√üen sie auch gr√∂√üere Mengen Magma mit und verursachen die vergleichsweise seltenen explosiven Vulkanausbr√ľche. Da der Anteil an Fluiden in den Gesteinen bei konvergierenden Plattengrenzen besonders gro√ü ist, zeigt sich bei diesen auch die deutlichste Tendenz f√ľr diesen Vulkantyp.

Menschlicher Wasserdampf

Wasserdampf ist ein wichtiges Hilfsmittel f√ľr den menschlichen W√§rmehaushalt. Bei hohen Umgebungstemperaturen wird zur Thermoregulation durch Schwitzen die √ľbersch√ľssige K√∂rperw√§rme (Verdunstungsk√§lte) an die Umgebung abgegeben. Die dabei umgesetzten W√§rmemengen sind erheblich, zur Verdunstung von einem Gramm Schwei√ü werden 2,43 kJ W√§rme ben√∂tigt. Der gesunde Mensch erzeugt bei normalen Umgebungstemperaturen t√§glich etwa 500 g Wasserdampf durch Schwitzen, hinzu kommt noch einmal die doppelte Menge mit der ausgeatmeten Luft. Auch dadurch wird die K√∂rpertemperatur auf 37 ¬įC geregelt.

Wasserdampfeintrag

Flugzeug mit Kondensstreifen

Bei der Verbrennung von Erd√∂lprodukten werden die Kohlenwasserstoffe der Erd√∂lfraktionen im Wesentlichen in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umgesetzt. Im Autoverkehr sind die Quellen Benzin und Diesel, im Luftverkehr Kerosin, in der Hausheizung Heiz√∂l und in der Industrie Schwer√∂le. Der im Abgas enthaltene kondensierende Wasserdampf macht sich beim Flugzeug durch Kondensstreifen am Himmel bemerkbar. Bei der Verbrennung von Erdgas, das mittlerweile zur Heizung von Geb√§uden verwendet wird, f√§llt wegen der vier Wasserstoffatome je Kohlenstoffatom im Methanmolek√ľl doppelt soviel Wasserdampf wie Kohlenstoffdioxid an. Dies ist der Grund daf√ľr, dass Brennwertger√§te f√ľr Erdgas effektiver arbeiten als f√ľr Heiz√∂l. Wasserdampf wird bei vielen gro√ütechnischen Prozessen als Abfallprodukt in die Atmosph√§re eingetragen.

Wasserdampf in der Klimatechnik

Eine Klimaanlage ist eine Geb√§udeausstattung, die einen definierten Wasserdampfgehalt der Luft garantiert. Um Fertigprodukte aus Eisen- und Stahlwerkstoffen vor Korrosion, Lagerbest√§nde wie B√ľcher vor Verwitterung und Lebensmittel vor Austrocknung zu sch√ľtzen, werden Lagerhallen klimatisiert. In der Wohnraumklimatisierung tr√§gt der Wasserdampfgehalt in erheblichem Ma√üe zum Wohlbefinden des Menschen bei. Bei der Beurteilung der Raumluft spielt der Begriff der Behaglichkeit eine zentrale Bedeutung; ein Aspekt ist der als angenehm empfundene Zusammenhang zwischen Raumlufttemperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Dieser wird von einer Klimaanlage sichergestellt.

Quantifizierung von Wasserdampf

Da der Wasserdampf bei verschiedensten Gegebenheiten und Prozessen eine große Rolle spielt, wird er mit unterschiedlichsten Messmethoden und -geräten erfasst und in einer Vielzahl von Größen angegeben.

F√ľr meteorologische Zwecke in Bezug auf die feuchte Luft wird oft die relative Luftfeuchte ŌÜ verwendet. Diese kann man unter anderem mit einem Haarhygrometer messen. In der Technik wird in der Regel die absolute Feuchte x verwendet. Diese misst man mit einem LiCl-Geber oder Coulometrischem Feuchtesensor, bei welchen (ausgehend von stark hygroskopischem Diphosphorpentoxid) auf den Wasserdampfgehalt der Luft geschlossen wird. Eine weitere M√∂glichkeit zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes der Luft ist die Messung ihrer Temperatur an je einem trockenen und angefeuchteten Thermometer, wobei die Messstelle des zweiten Thermometers mit einem wassergetr√§nkten Gewebe umwickelt und zur F√∂rderung der Verdunstung mit einem kleinen L√ľfter angeblasen wird. Mithilfe der beiden abgelesenen Werte l√§sst sich aus dem Mollier-h-x-Diagramm sofort die zugeh√∂rige Luftfeuchtigkeit ablesen. Das Psychrometer ist das praktische Ergebnis der Weiterentwicklung dieser Messmethode.

In Dampferzeugern dienen neben Thermometer auch Manometer zur einfachen Messung der Dampfparameter.

Wasserdampf in der Geschichte

Der Anblick von Wasserdampf ist den Menschen seit der Nutzbarmachung des Feuers bekannt; er entstand mehr oder weniger unbeabsichtigt beim Kochen oder beim L√∂schen der Feuerstelle mit Wasser. Erste √úberlegungen zur technischen Nutzung von Wasserdampf werden Archimedes zugeschrieben, der eine Dampfkanone konstruierte. Leonardo da Vinci stellte zu diesem Thema erste Berechnungen an, wonach eine acht Kilogramm schwere Kugel aus einer solchen Kanone verschossen etwa 1250 Meter weit fliegen w√ľrde.

Heron von Alexandria erfand den Heronsball, eine erste Dampfturbine. Seine Erfindung hatte in der Antike keinen praktischen Nutzwert, sie zeigte aber die technischen Möglichkeiten der Nutzung von Wasserdampf auf.

Auf Denis Papin geht die praktische Ausf√ľhrung des Schnellkochtopfes zur√ľck. Dieser erste Druckbeh√§lter wurde von Anfang an mit einem Sicherheitsventil ausger√ľstet, nachdem es mit einem Prototyp bei den ersten Versuchen zu einem Zerknall kam.

Die Erfindung und Nutzung der Dampfmaschine machten es notwendig, das Arbeitsmittel Wasserdampf theoretisch und praktisch zu untersuchen. Zu den Praktikern gehören James Watt und Carl Gustav Patrik de Laval, die durch die Vermarktung ihrer Maschinen zu wohlhabenden Männern wurden. Zu den Theoretikern gehörte dagegen Nicolas Léonard Sadi Carnot, der Überlegungen zu Wasserdampf und der Dampfmaschine anstellte. In die Reihe der Forscher, die sich eingehend mit den Eigenschaften von Wasserdampf beschäftigten, gehören auch Rudolf Julius Emanuel Clausius und Ludwig Boltzmann.

Nutzung in der Technik

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dampferzeuger
Dampf
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dampfturbine
Dampf
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Kondensator
Wasser
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Speisepumpe
Wasser
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Wasserdampf wird in der Technik in Dampfkesseln erzeugt und beispielsweise zu folgenden Zwecken verwendet:

Die derzeit größten Kraftwerksdampferzeuger haben eine Leistung von bis zu 3600 Tonnen Dampf pro Stunde. Derartige Mengen werden beispielsweise mit einem Wasserrohrkessel bereitgestellt.

Beim technischen Einsatz von Wasserdampf ist zu beachten, dass Nassdampf im Unterschied zu den meisten anderen Fl√ľssigkeiten und Gasen nicht gepumpt werden kann. Die beim Verdichten des Dampfes auftretenden Wasserschl√§ge w√ľrden die F√∂rdermaschine innerhalb k√ľrzester Zeit zerst√∂ren.

Weitere Anwendungen

Gefahren durch Wasserdampf

Geringe Mengen Wasserdampf k√∂nnen gro√üe Mengen W√§rme und damit Energie transportieren. Aus diesem Grund ist das zerst√∂rerische Potenzial von dampff√ľhrenden Apparaturen wie Dampferzeuger und Rohrleitungen erheblich. Kesselzerknalle von Dampfkesseln geh√∂rten zu den schwersten Unf√§llen in der Technikgeschichte; derartige Ereignisse haben in der Vergangenheit mit einem Schlag Industriebetriebe zerst√∂rt.

Die Gefahr entsteht durch den ‚Äěunsichtbaren‚Äú, aber mit hoher Temperatur und hohem Druck und einem Strahl von erheblicher L√§nge, aus einem defekten Dampfkessel frei austretenden Wasserdampf. Betrachtet man das oben aufgef√ľhrte h-s-Diagramm, bedeutet die Freisetzung von Sattdampf zuerst eine adiabate Zustands√§nderung, bei der der Druck reduziert wird. Den Ausgangspunkt bildet die Sattdampfkurve rechts vom kritischen Punkt (= Sattdampfzustand im Kessel). Die Druckreduzierung verl√§uft parallel zur x-Achse (die Enthalpie bleibt gleich). Der austretende Freistrahl vermischt sich mit der Umgebungsluft und k√ľhlt ab. Bei Unterschreitung von 100 ¬įC (= Sattdampftemperatur bei Umgebungsdruck) beginnt der Dampf zu kondensieren und sichtbar zu werden.

Eine Gefahr bei gro√üen Dampfaustritten ist andererseits die Bildung von Nebel, der f√ľr Fl√ľchtende die Orientierung erschwert. Und schlie√ülich kann ausstr√∂mender √ľberhitzter Wasserdampf sogar Br√§nde ausl√∂sen. Das Nachverdampfen von fl√ľssigem Wasser durch die in der Umgebung der defekten Stelle eintretende Druckverringerung.

Ein gro√üfl√§chiger Kontakt mit einem Strahl Wasserdampf oder hei√üem Wasser ist wegen der augenblicklich eintretenden Verbr√ľhungen t√∂dlich. In der letzten Zeit sind im Zusammenhang mit Wasserdampf weniger Unf√§lle geschehen, weil sich der Stand der Technik auf diesem Gebiet permanent zu gr√∂√üeren Sicherheiten hin entwickelt hat.

Aufgrund des gro√üen Volumenunterschiedes zwischen Wasser und Wasserdampf (1:1700) ist es gef√§hrlich, bestimmte Br√§nde mit Wasser zu l√∂schen. Bei einem Kaminbrand kann das L√∂schwasser zu einem Zerrei√üen des Kamins f√ľhren und somit die L√∂schkr√§fte gef√§hrden und Sachschaden anrichten. Auch ein Fettbrand darf nicht mit Wasser gel√∂scht werden, da Wasser wegen der h√∂heren Dichte unter das brennende Fett gelangt, an der hei√üen Fl√§che verdampft und sich dabei ausdehnt und brennendes Fett mit rei√üt, so es kommt zur Fettexplosion.

Begriffe und Stoffwerte

Begriffe zum Wasserdampf
Name
Wasserdampf
weitere Namen
dazu das nebenstehende Diagramm
Summenformel
H2O
Dichte bei 100 ¬įC und 1,01325 bar
0,598 kg/m³
spez. Wärmekapazität cp
2,08 kJ/kgK
W√§rmeleitf√§higkeit őĽ
0,0248 W/(m·K)
Tripelpunkt
273,160 K entspricht 0,01 ¬įC bei 0,00612 bar
kritischer Punkt
374,150 ¬įC bei : 221,20 bar


Siehe auch

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Wasserdampftafel
  2. ‚ÜĎ Stefan Rahmstorf: Klimawandel ‚Äď einige Fakten. In: Aus Politik und Zeitgeschichte (APuZ 47/2007)
  3. ‚ÜĎ Forschungszentrums J√ľlich (Pressemitteilung vom 31. Mai 2001): Wasserdampf ist Treibhausgas Nr. 1 ‚ÄĘ Studie unter J√ľlicher Leitung


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  • Wasserdampf ‚ÄĒ Wasserdampf,der:‚á®Dampf(1) ‚Ķ   Das W√∂rterbuch der Synonyme

  • Wasserdampf ‚ÄĒ ‚ÜĎVapor ‚Ķ   Das gro√üe Fremdw√∂rterbuch

  • Wasserdampf ‚ÄĒ WaŐ£s|ser|dampf ‚Ć©m. 1u‚Ć™ Wasser in gasf√∂rmigem Zustand * * * WaŐ£s|ser|dampf: gasf√∂rmiges Wasser, das au√üer als Chemierohstoff haupts. als W√§rme√ľbertragungsmittel, Turbinenantriebsmittel u. als Schleppmittel beim Steamkracken u. bei der… ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • Wasserdampf ‚ÄĒ vandens garai statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. aqueous vapour; steam; water vapour vok. Wasserdampf, m rus. –≤–ĺ–ī—Ź–Ĺ–ĺ–Ļ –Ņ–į—Ä, m pranc. vapeur d eau, f ‚Ķ   Automatikos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Wasserdampf ‚ÄĒ vandens garai statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrńóŇĺtis Dujinńós bŇęsenos vanduo. atitikmenys: angl. steam; water vapor; water vapour vok. Wasserdampf, m; Wasserdunst, m rus. –≤–ĺ–ī—Ź–Ĺ–ĺ–Ļ –Ņ–į—Ä, m; –Ņ–į—Ä, m pranc. vapeur d‚Äôeau, f ‚Ķ   Penkiakalbis aiŇ°kinamasis metrologijos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Wasserdampf ‚ÄĒ garas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrńóŇĺtis ńģprastinis vandens garŇ≥ pavadinimas. atitikmenys: angl. aqueous vapor; aqueous vapour; steam; water vapor; water vapour vok. Wasserdampf, m rus. –≤–ĺ–ī—Ź–Ĺ–ĺ–Ļ –Ņ–į—Ä, m pranc. vapeur d‚Äôeau ‚Ķ   Penkiakalbis aiŇ°kinamasis metrologijos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Wasserdampf ‚ÄĒ vandens garai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. aqueous vapor; aqueous vapour; steam; water vapor; water vapour vok. Wasserdampf, m rus. –≤–ĺ–ī—Ź–Ĺ–ĺ–Ļ –Ņ–į—Ä, m pranc. vapeur d‚Äôeau, f ‚Ķ   Fizikos terminŇ≥ Ňĺodynas

  • Wasserdampf ‚ÄĒ garas statusas T sritis Energetika apibrńóŇĺtis Vandens garai. atitikmenys: angl. steam; water vapor vok. Dampf, m; Wasserdampf, m rus. –Ņ–į—Ä –≤–ĺ–ī—Ź–Ĺ–ĺ–Ļ, m pranc. vapeur d‚Äôeau, f ‚Ķ   AiŇ°kinamasis Ň°iluminńós ir branduolinńós technikos terminŇ≥ Ňĺodynas


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