Wasserdampf

Wenn Dampf in eine kältere Umgebung strömt, kondensieren Teile des gasförmigen Wassers zu feinsten Tröpfchen. Ein solches Gemisch bezeichnet man als Nassdampf, der zum Beispiel beim Wasserkochen, oder auch beim Ausatmen im Winter beobachtet werden kann. Im T-s-Diagramm erstreckt sich der Bereich des Nassdampfes bis zum kritischen Punkt bei 374 °C und 221,2 bar.

Der Inhalt des Nassdampfes an reinem Dampf ist durch den Massenanteil x gekennzeichnet, der sich mit folgender Formel berechnen lässt

${\displaystyle x={\frac {m_{\text{Dampf}}}{m_{\text{Flüssigkeit}}+m_{\text{Dampf}}}}}$

Diese Definition begrenzt den Dampfgehalt zwischen 0 ≤ x ≤ 1.

Über die ideale Gasgleichung können äquivalente Definitionen abgeleitet werden, die den Bereich des Dampfgehaltes nicht beschränken:

${\displaystyle x={\frac {v-v'}{v''-v'}}={\frac {h-h'}{h''-h'}}={\frac {s-s'}{s''-s'}}}$

Darin bezeichnet ${\displaystyle v}$ das spezifische Volumen, ${\displaystyle h}$ die Enthalpie und ${\displaystyle \,s}$ die Entropie.

Der Zustand der gesättigten Flüssigkeit wird durch ${\displaystyle '}$ gekennzeichnet, der des gesättigten Dampfes durch ${\displaystyle ''}$.

Überhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur. Der Dampfgehalt beträgt nach obiger Formel ${\displaystyle x=1}$. In Dampfkesseln wird der erzeugte Dampf mittels des Überhitzers in diesen Zustand gebracht. Abhängig vom Grad der Überhitzung werden die Bezeichnungen „Trockendampf“ und „Heißdampf“ verwendet.

Werden Temperatur und Druck von Wasser in einem geeigneten Druckbehälter stark erhöht, dann wird irgendwann der so genannte kritische Punkt überschritten und ein „überkritischer“ Zustand erreicht. Im überkritischen Zustand ist die Unterscheidung zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser sinnlos, denn weder in ihrer Dichte noch durch andere Eigenschaften sind sie noch voneinander zu unterscheiden. Es gibt dann keine Phasengrenze und keine Oberflächenspannung mehr. Unterhalb des kritischen Punktes ist der Wasserdampf folglich „unterkritisch“ und kann sich im Gleichgewicht mit flüssigem Wasser befinden. Wird in diesem Bereich das flüssige Wasser vollständig verdampft und dann die Temperatur weiter erhöht, so entsteht „überhitzter Dampf“. Diese Form des Dampfes enthält keine Wassertröpfchen mehr und ist in ihrem physikalischen Verhalten ebenfalls ein Gas.

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

Für den Dampfkessel erfordert der Übergang in den überkritischen Zustand eine besondere Bauart. Wegen des geringen Dichteunterschieds zwischen Wasser und Dampf kommt kein Auftrieb und damit kein stabiler Naturumlauf zustande. Kessel, die über oder auch nahe unter dem kritischen Punkt betrieben werden, sind deshalb immer Zwangslaufkessel. Da bei überkritischen Kesseln keine Trennung von Dampf- und Wasserphase mehr notwendig oder möglich ist, entfällt die Trommel und die Bauart ist ein Zwangsdurchlaufkessel, oft vom Typ Benson.

Der Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf heißt „Sattdampf“, auch gesättigter Dampf oder trocken gesättigter Dampf. Die meisten Tabellenwerte zu Wasserdampfzuständen sind darauf bezogen. Es gibt auch übersättigen bzw. unterkühlten Dampf bzw. unterkühltes Wasser, wobei diese speziellen „metastabilen Zustände“ nicht als eigene Zustände in einem Phasendiagramm zu finden sind.

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 Flüssigkeit vom Nassdampf ab, während
• die Kurve x = 1, auch Taulinie, Sattdampfkurve oder obere Grenzlinie, 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. Beide Größen lassen sich ineinander umrechnen und gleichen sich in den Grenzwerten 0 und 1.

Kondensierter Wasserdampf in der Luft an der Schallmauer eines Überschallflugzeugs

Gasförmiger oder überhitzter Wasserdampf ist farblos und eigentlich unsichtbar, wie die meisten Gase. Nassdampf ist durch die mitgerissenen Wassertropfen dagegen sichtbar. Bei Kontakt mit hinreichend kühler Umgebungsluft kommt es zur Unterschreitung des Taupunktes und folglich zu einer Kondensation weiterer feinster Wassertropfen. Die Existenz des Wasserdampfs in der Luft wird durch das an den Tröpfchen gestreute Licht sichtbar.

Wasserdampf kann auch direkt aus der festen Phase von Wasser entstehen: Eis oder Schnee werden „von der Sonne weggeleckt“. Dieses Phänomen wird besonders bei trockener Luft im Hochgebirge beobachtet, wenn verschneite Hänge bei Temperaturen von weit unter 0 °C mit der Zeit schneefrei werden. Das Eis, also das feste Wasser sublimiert zu Wasserdampf. Die Luftfeuchte nimmt durch Abdunsten aus dem Schnee zu, und zuvor verschneite Flächen apern aus, ein Phänomen beispielsweise im Himalaya. Aus denselben Ursachen trocknet im Freien aufgehängte Wäsche 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 Bodennähe mit hoher Geschwindigkeit fliegt, dieser im Bild deutlich sichtbare Effekt wird oft fälschlich als „die Schallmauer“ bezeichnet, dieser Effekt ist jedoch kein Über- oder Unterschalleffekt. Durch die hohe Anströmgeschwindigkeit der Luft kann aus strömungsmechanischen Gründen, beispielsweise hohe Druckschwankungen, die Temperatur der anströmenden Luft stark und somit unter den Taupunkt abfallen, was zu einer Auskondensation führt. Der Wasserdampf im heißen Abgas wird hingegen von der sich erwärmenden Luft aufgenommen.

Siedeformen des Wassers

In Abhängigkeit von der Wärmestromdichte, die der siedenden Flüssigkeit über eine Heizfläche zugeführt wird, bilden sich unterschiedliche Formen des Siedens.

Liegt die Temperatur der Heizfläche einige Grad über der Siedetemperatur, bilden sich an Unebenheiten Blasenkeime. Bis zu Wärmestromdichten von 2 kW/m² bilden sich Blasen, die beim Hinaufsteigen wieder kondensieren. Diese Siedeform wird als stilles Sieden bezeichnet.

Mit steigender Wärmestromdichte nimmt die Blasenbildung zu, und die Blasen erreichen die Oberfläche. Die an den Heizflächen abreißenden Blasen führen zu einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Die Wandtemperaturen steigen nicht wesentlich über die Siedetemperatur (bis etwa 30 K). Beim Blasensieden können Wärmestromdichten bis 1000 kW/m² erreicht werden.

Wird die Wärmestromdichte dann noch weiter gesteigert, setzt sprunghaft das Filmsieden ein: Es bildet sich ein durchgehender Dampffilm. Dieser wirkt wie eine Isolierschicht, und der Wärmeübergangskoeffizient wird drastisch reduziert. Wird der Wärmestrom nicht reduziert, so wird erst dann wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die Wärme durch ausreichend hohe Wärmestrahlung abgegeben werden kann. Dieser Zustand wird aber erst bei einer Überhitzung der Heizfläche von rund 1000 K erreicht. In der Regel wird bei diesem Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden die Heizfläche zerstört.

Um einer Zerstörung von Heizflächen an Dampfkesseln vorzubeugen, wird die maximale Wärmestromdichte auf 300 kW/m² begrenzt. In kleineren Fällen gibt es das Überschießen durch einen Siedeverzug.

Im T-s-Diagramm ist zu erkennen, dass beim Übergang von Flüssigkeit zu 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. Die Entropie wird auf der Abszisse aufgetragen. Eine weitere Besonderheit des Diagramms ist seine Eigenschaft, die zur Verdampfung des Wassers notwendige Wärmemenge als Fläche darzustellen. Mit der Beziehung: ΔH = T · ΔS ergibt sich für die Verdampfungsenthalpie eine Rechteckfläche, die zwischen T = 0 K und der jeweiligen Verdampfungsgeraden aufgespannt wird.

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.

Eine Näherungsformel für die Berechnung des Sättigungsdampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur ist die Magnus-Formel:

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

Temperatur θ in °C, Koeffizienten ${\displaystyle E_{(\theta =0\,^{\circ }\mathrm {C} )}=610{,}78\,\mathrm {Pa} \ ,}$

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

Diese Formel ist sehr genau (unterhalb 0,22 %) im Bereich zwischen 0 und 100 °C und immer noch gut (unterhalb 4,3 %) zwischen −20 und 374 °C, der maximale Fehler liegt bei 290 °C. 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 ${\displaystyle E_{(\theta =0\,^{\circ }\mathrm {C} )}=611{,}2\,\mathrm {Pa} \ ,}$

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

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

Die Magnus-Formel wurde von Heinrich Gustav Magnus empirisch ermittelt und seitdem lediglich durch genauere Werte der Koeffizienten ergänzt. Eine aus der Thermodynamik abgeleitete Gesetzmäßigkeit für Phasendiagramme stellen 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 Näherung dar.

Eine brauchbare Faustformel für die Berechnung der Sattdampftemperatur aus dem Sattdampfdruck und umgekehrt ist

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

wenn man den Druck p in bar (absolut) einsetzt. Die zugehörige Temperatur θ ergibt sich in Grad Celsius. Diese Formel ist im Bereich p _kr. > p > p = 3 bar (200 °C > θ > 100 °C) auf etwa 3 % genau.

Eine steigende Durchschnittstemperatur der Erde führt zu einem steigenden mittleren Wasserdampfgehalt der Atmosphäre.[8] Gemäß der Clausius-Clapeyron-Gleichung kann die Atmosphäre mit jedem Grad Temperaturanstieg 7 % mehr Wasserdampf enthalten.

Im Kontext der globalen Erwärmung ist die so genannte „Wasserdampf-Rückkopplung“ neben der Eis-Albedo-Rückkopplung die stärkste bisher bekannte positive Rückkopplung:[9][10] Bei einer angenommenen Klimasensitivität von 2,8 °C bei einer Verdoppelung der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidkonzentration ist 1,2 °C auf die direkte wärmende Wirkung des CO₂ zurückzuführen, ein Grad entfällt auf die Wasserdampf-Rückkopplung und der Rest auf die übrigen Rückkopplungen.[11] Während der letzten 35 Jahre ist die Luftfeuchtigkeit am oberen Rand der Wetterschicht um durchschnittlich ca. zehn Prozent gestiegen.[10]

Wissenschaftler halten es für möglich, dass eine Wasserdampf-Rückkopplung auch auf anderen Planeten stattfindet; so könnte die Venus kurz nach ihrer Entstehung vor viereinhalb Milliarden Jahren für längere Zeit einen Ozean besessen haben,[12] und im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte soll auch eine Wasserdampf-Rückkopplung aufgetreten sein.[13]

Wasserdampf ist ein wichtiges Hilfsmittel für den menschlichen Wärmehaushalt. Bei hohen Umgebungstemperaturen wird zur Thermoregulation durch Schwitzen die überschüssige Körperwärme (Verdunstungskälte) an die Umgebung abgegeben. Die dabei umgesetzten Wärmemengen sind erheblich, zur Verdunstung von einem Gramm 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 Luft. Auch dadurch wird die Körpertemperatur auf 37 °C geregelt.