mini|hochkant|Siedendes Wasser, Dampfblasen und teilkondensierter Wasserdampf mini|hochkant|Wasserdampf (hier teilweise sichtbar als Dampfschwaden) In der Umgangssprache versteht man unter Wasserdampf meist die sichtbaren Dampfschwaden von kondensiertem Wasserdampf (Nassdampf). Dampfschwaden sind sichtbar, weil sich mikroskopisch kleine Tröpfchen gebildet haben, wie auch in Wolken und bei Nebel, die aufgrund der Mie-Streuung Sonnenlicht streuen, wodurch der Tyndall-Effekt auftritt und die eigentlich farblosen Tröpfchen sichtbar werden.
In Technik und Naturwissenschaft ist Wasserdampf die Bezeichnung für Wasser im gasförmigen Aggregatzustand. Dieser ist unsichtbar wie Luft, wird aber nicht als Wassergas bezeichnet, da dieser Begriff eine andere Bedeutung hat.
Wasserdampfhaltige Abgase kondensieren zu weißen Abgasfahnen, dem Schornstein entweicht also „Dampf“. Rußhaltige schwarze oder graue Abgase hingegen werden als Rauch bezeichnet.
Entstehung und Zustände Bei einem Standard-Umgebungsdruck von 1,013 bar (101,325 kPa) siedet reines Wasser bei 100 °C. Wird dem verbliebenen Wasser darüber hinaus Energie (Wärme) zugeführt, verdampft Wasser, ohne dass es zu einem weiteren Temperaturanstieg kommt. Aus 1 Liter (entsprechend 1 kg) Wasser entstehen 1,673 m³ Wasserdampf (unter Standardbedingungen), wofür eine Energiezufuhr von 2257 kJ benötigt wird.
Die zugeführte Energie erhöht die innere Energie des Dampfes nur um 2088 kJ. Mit dem Rest der zugeführten Wärmemenge leistet der Dampf gegenüber dem Umgebungsdruck eine Volumenänderungsarbeit W.
W kann auch als „Luftverdrängungsarbeit“ interpretiert werden. Physikalisch handelt es sich um die isobare Verschiebungsarbeit. Nachdem die Luft verdrängt wurde, kann der Dampf kondensiert werden, mit dem dabei entstehenden Unterdruck wurde früher die eigentliche Technische Arbeit gewonnen, die ersten Atmosphärischen Dampfmaschinen arbeiteten nach diesem Prinzip.
mini|hochkant=1.5
Die beiden Beiträge addiert ergeben also die Verdampfungsenthalpie H, die sich in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm (h-s-Diagramm) in Form einer Differenz auf der y-Achse als spezifische Größe ablesen lässt. Das hier abgebildete T-s-Diagramm stellt die für die Verdampfung (bei 100 °C) notwendige Wärme in Form der gepunkteten blauen Fläche dar.
Ebenso lässt sich dabei der Zuwachs an Verdampfungsentropie (Delta S) ermitteln:
= Verdampfungsenthalpie = Siedetemperatur in K
Wie aus dem Phasendiagramm entnommen wird, siedet Wasser bei einem Luftdruck von 0,4 bar schon bei etwa 75 °C (so etwa auf dem Mount Everest). Die aufzuwendende Verdampfungsenthalpie ist entsprechend größer, ebenso die Volumenzunahme des Dampfes. Mit steigendem Druck nimmt die Verdampfungsenthalpie des Wassers ab, bis sie im kritischen Punkt gleich Null ist. Daraus folgend die kleiner werdenden Flächen im T-s-Diagramm.
Erscheinungsformen mini|hochkant=1.5|Siedepunktkurve des Wassers Der Dampfdruck des Wassers ist temperaturabhängig. Bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes spricht man von Verdunstung. In gesättigter Umgebungsluft stellt sich ein Gleichgewicht zwischen verdunstendem Wasser und kondensierendem Wasserdampf ein. Die Übergangsbedingungen zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf sind in der Siedepunktkurve des Zustandsdiagramms dargestellt. Daneben kann dem Wasser auch der Zustand „Überkritisches Fluid“ zugewiesen werden, ein besonders dichter und heißer Zustand, bei dem das Wasser keine Flüssigkeit mehr ist, aber auch nicht die typischen Eigenschaften eines Gases hat.
Nassdampf 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
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:
Darin bezeichnet das spezifische Volumen, die Enthalpie und die Entropie.
Der Zustand der gesättigten Flüssigkeit wird durch gekennzeichnet, der des gesättigten Dampfes durch .
Heißdampf Überhitzter Dampf
Überhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur. Der Dampfgehalt beträgt nach obiger Formel . 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.
Überkritisches Wasser
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.
Sattdampf oder trocken gesättigter Dampf 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 übersättigten bzw. unterkühlten Dampf bzw. unterkühltes Wasser, wobei diese speziellen „metastabilen Zustände“ nicht als eigene Zustände in einem Phasendiagramm zu finden sind.
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 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. mini|Kondensierter Wasserdampf in der Luft an der Schallmauer eines Überschallflugzeugs
Erscheinung 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.
Sieden mini|zentriert|hochkant=2.5|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.
Tabellen, Diagramme und Formeln Wegen seiner enormen Bedeutung für die Energiewirtschaft zählt Wasserdampf zu den am besten erforschten Stoffen in der Thermodynamik. Seine physikalischen Eigenschaften wurden durch umfangreiche und häufige Messungen und Berechnungen bestimmt und in umfangreichen Tabellenwerken, den so genannten Wasserdampftafeln,Wasserdampftafel. erfasst.
T-s-Diagramm mini|hochkant=1.5|links|Temperatur-Entropie-Diagramm von Wasserdampf (1 MPa = 10 bar)