Als Taupunkt oder Taupunkttemperatur (oft mit dem griechischen Buchstaben (Tau) als Formelzeichen bezeichnet) werden alle Temperaturstufen bezeichnet, bei denen Luft mit Wasserdampf (gerade) gesättigt ist (an den Taupunkten liegt also 100 % relative Luftfeuchtigkeit vor). Je wärmer Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Wenn die Temperatur einer Luftmenge bekannt ist, kann man aus deren Taupunkt die absolute Luftfeuchtigkeit entnehmen.
Wenn sich eine am Taupunkt befindliche Luftmenge abkühlt oder sich ihr Druck erhöht, kondensiert die enthaltene Feuchtigkeit. Einige Wassermoleküle des dort übersättigten gasförmigen Wasserdampfs kondensieren zu Nebel oder Tau und scheiden sich so aus der Luft ab.
Als Taupunkt wird die höchste Temperatur verstanden, bei der bei Abkühlung erstmals Dampf zu Kondenswasser kondensiert; bei dieser Temperaturstufe tritt bei Abkühlung erstmals Sättigung auf. Die Luft hat allerdings nach der Kondensation eine andere Zusammensetzung (nämlich einen geringeren Wasserdampfgehalt) und einen tieferen Taupunkt und kann bei Abkühlung auf diese Temperaturstufe (weil sofort Übersättigung auftritt) weiter Kondenswasser abscheiden. Deshalb hat jede Luftmenge entsprechend ihrem Wassergehalt nur einen Taupunkt, der enthaltene Wasserdampf kann aber an mehreren Taupunkten der Luft kondensieren.
Der Taupunkt wird mit einem Taupunktspiegelhygrometer direkt oder mit anderen hygrometrischen Verfahren indirekt gemessen.
Der Begriff des Taupunkts wird sinngemäß nicht nur auf Luft angewendet, sondern auch auf andere Gasgemische mit kondensierbaren Bestandteilen.
Physikalischer Hintergrund mini|hochkant=1.3|Taupunktkurve in blau. Zu einem beliebigen Zustand (roter Punkt) gehört ein Taupunkt bei gleichem Wasserdampf-Partialdruck (blauer Punkt). An den waagerechten und senkrechten Hilfslinien kann man die Taupunktdifferenz (hier: 20 °C) und die relative Feuchte ablesen. mini|lang=1.3|Vereinfachtes Phasendiagramm von Wasser
Der Taupunkt bezeichnet die Temperatur eines feuchten Gasgemisches in einem Gleichgewichtszustand, bei dem sich Kondensieren und Verdunsten des feuchten Bestandteils genau die Waage halten; das Gas ist mit dem Dampf dann gerade gesättigt. Bei dem feuchten Gasgemisch handelt es sich in der Regel um eine Mischung aus Wasserdampf und Luft, es kann sich aber auch auf ein anderes Gemisch mit einem kondensierbaren Bestandteil beziehen.
Der Dampf-Partialdruck, der am Taupunkt herrscht, ist der Sättigungsdampfdruck. Wie hoch dieser bei einer gegebenen Temperatur liegt, ergibt sich aus dem Phasendiagramm des Wassers bzw. des kondensierbaren Bestandteils des betreffenden Gasgemischs. Da die nicht-kondensierbaren Anteile das Verhalten des Dampfes nahezu nicht beeinflussen, hängt der Taupunkt von feuchter Luft praktisch nicht vom Gesamtdruck ab, sondern fast ausschließlich vom Partialdruck des enthaltenen Wasserdampfs. Jeder solche Gleichgewichtszustand ist durch einen Punkt im p-T-Diagramm bestimmt. Verbindet man all diese Punkte miteinander, so erhält man die Taupunktkurve als Phasengrenzlinie. In manchen Fachbüchern wird die Bezeichnung Taupunkt nicht für die Temperatur allein verwendet, sondern für den Zustand der Sättigung, die zugehörige Temperatur heißt dann Taupunkttemperatur.
Unterhalb des Tripelpunktes im Phasendiagramm geht der gasförmige Aggregatzustand nicht in den flüssigen über, sondern in den festen. Es bildet sich also Reif, und man spricht hier vom Reifpunkt statt vom Taupunkt. Hier besteht das dynamische Gleichgewicht zwischen Feststoff und Dampfphase, so dass sich Sublimieren und Resublimieren genau die Waage halten.
Im Phasendiagramm liegt der Zustand eines Luft-Dampf-Gemischs ohne flüssige Phase unter bzw. rechts der Taupunktkurve (z. B. beim roten Punkt in der oberen Abb.). Dann zeigt der horizontale Abstand zur Taupunktkurve die Temperaturdifferenz zum Taupunkt bei gleichem Druck an. Sie wird Taupunktdifferenz oder engl. Spread genannt. Die Taupunktdifferenz ist eine wichtige Größe bei der Vorhersage von Thermik und Wolkenuntergrenze; sie ist groß bei trockener Luft, klein bei feuchter Luft.
In vertikaler Richtung, d. h. bei der Temperatur des roten Punktes, zeigt seine Höhe, ausgedrückt in Prozent der Höhe der Taupunktkurve, die relative Feuchte an, also den aktuellen Dampf-Partialdruck im Vergleich zum Sättigungsdampfdruck.
Um ausgehend von einer relativen Feuchte unter 100 % den Dampf zum Kondensieren zu bringen, muss ein Punkt der Taupunktkurve erreicht werden: Dazu kann das System bei konstantem Druck (isobar) oder bei konstantem Volumen (isochor) abgekühlt werden, bis die Taupunkttemperatur erreicht ist (waagerechte Bewegung im Diagramm). Eine andere Möglichkeit ist die Verringerung des Volumens, weil dadurch der Dampf-Partialdruck im umgekehrten Verhältnis ansteigt; an welchem Punkt die Taupunktkurve dabei erreicht wird, hängt von der isothermen (senkrechte Bewegung im Diagramm) oder nicht-isothermen Prozessführung während der Kompression ab; in jedem Fall steigt die relative Feuchte auf 100 %.
Messung
Eine direkte Messung des Taupunkts kann mit einem Taupunktspiegelhygrometer erfolgen. Dieses enthält einen temperierbaren Spiegel. Wenn der Spiegel bei absinkender Spiegeltemperatur die Taupunkttemperatur erreicht bzw. unterschreitet, beschlägt er. Dadurch verändern sich seine optischen Eigenschaften, vor allem sein Reflexionsvermögen. Eine Messoptik stellt auf diese Weise den Taupunkt fest.
Eine indirekte Methode kombiniert die Messung der Raumtemperatur mit der der relativen Luftfeuchtigkeit. Aus diesen beiden Daten wird die absolute Luftfeuchtigkeit errechnet und daraus kann die Temperatur ermittelt werden, bei der die relative Luftfeuchtigkeit den Wert von 100 % erreicht. In modernen Messgeräten erfolgt diese Berechnung intern durch einen Mikroprozessor, angezeigt wird in der Regel die gemessene Raumtemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit sowie die Taupunkttemperatur.
Verwendungsbeispiele Meteorologie
In der Meteorologie wird der Taupunkt als Maß für die Luftfeuchtigkeit herangezogen. Wenn die jeweilige Lufttemperatur mit dem Taupunkt übereinstimmt, beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 %. Der Begriff Schwüle kann über den Taupunkt definiert werden: Schwüle wird empfunden, wenn der Taupunkt ca. 16 °C übersteigt.
Sinkt die Temperatur der Luft unter ihren Taupunkt, was bei bodennaher Luft häufig in den frühen Morgenstunden der Fall ist, so verflüssigt sich ein Teil des Wasserdampfs: Tau oder Nebel bilden sich, bei tieferen Temperaturen Reif. Luftumspülte Gegenstände im Freiland nehmen infolge von Konvektion die Temperatur des Luftstroms an. Die zusätzliche Abkühlung durch Wärmestrahlung kann bewirken, dass dort ebenfalls der Taupunkt unterschritten wird. Bei nicht wärmegedämmten Fassaden geheizter Gebäude wird ständig genügend Wärme nachgeliefert, sodass der Taupunkt nicht unterschritten wird. Dagegen wird bei hoch wärmegedämmten Fassaden (WDVS), abgestellten Autos, Verkehrsschildern, aber auch der Vegetation keine Wärme nachgeliefert, sie beschlagen sich daher mit Kondenswasser in Form von Tau oder Eisblumen. Für Pflanzen ist das Teil der natürlichen Wasserversorgung, aber auch Ursache von Pilzerkrankungen, für Fassaden ist es schädlich (weil die Wärmedämmung vernässen kann, ihre Wärmedämmwirkung damit stark abnimmt und Algen besser wachsen). Steigt die Lufttemperatur wieder über den Taupunkt, so lösen sich diese Niederschläge und Frühnebel wieder auf.
Ähnliche Vorgänge sind auch für die Wolkenbildung und -auflösung verantwortlich: Erwärmte Luftmassen steigen vom Boden auf und kühlen sich dabei um ca. 1 °C pro 100 m ab. Man spricht vom „trockenadiabatischen Temperaturgradienten“. Zunächst bleibt die im Luftpaket enthaltene Wasserdampfmenge unverändert. In einer bestimmten Höhe erreicht die Temperatur der Luftmasse den Taupunkt; hier setzt die Kondensation ein, eine Cumulus-Wolke bildet sich. Die Wolkenuntergrenze liegt also genau auf dieser Höhe.
Steigt die Luft noch weiter auf, so nimmt die Temperatur langsamer ab, weil Kondensationsenthalpie freigesetzt wird (siehe feuchtadiabatischer Temperaturgradient).
Um die Entwicklung der Wolken einschätzen zu können, werden daher mithilfe von Radiosonden regelmäßig Vertikalprofile der Temperatur und des Taupunkts erstellt. Diese Information über die Schichtung der Atmosphäre kann dazu verwendet werden, um beispielsweise Gewitter vorherzusagen.
Bauphysik mini|Taupunkt-Kurve [g/m³ Luft]
Bei wasserdampfdurchlässigen diffusionsoffenen Baustoffen diffundiert Wasserdampf aufgrund des Konzentrationsgefälles durch das Bauteil. Bewegt sich warme und mit Feuchtigkeit angereicherte Luft durch Diffusion oder Konvektion innerhalb der Außenwand oder einer Wärmedämmschicht, so kommt es dort, wo die Materialtemperatur niedriger als der jeweilige Taupunkt ist, zur Kondensation des Wasserdampfs aus der im Bauteil enthaltenen Luft zu flüssigem Kondenswasser und dieses vernässt das Bauteil. Hintergrund ist, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte Luft oder umgekehrt kalte Luft weniger als warme Luft. Der Feuchtigkeitstransport durch das Bauteil kann durch eine diffusionsdichte Dampfsperre vermindert werden.
Die Kondensation geschieht hauptsächlich im Winter an oberirdischen Geschossen (feuchtwarme Innenluft, kalte Wände), im Sommer in Kellern oder Erdbauten (sommerwarme feuchte Außenluft wird durch falsches Lüftungsverhalten hereingelüftet und die Feuchte kondensiert innen an den erdkalten Wänden) und generell an Wärmedämmverbundsystemen außen (die durch Wärmeabstrahlung und vorbeistreichende kalte Luft schnell oberflächlich abkühlen). Die Menge aller Punkte im Bauteil, die die Taupunkttemperatur haben, wird Taupunktebene genannt.
Ohne Wärmedämmung ist in beheizten Gebäuden die Taupunktebene in den Raumwänden. Durch Wärmedämmung an Gebäuden außen bleiben die Wände warm und die Taupunktebene wird nach außen verschoben, bei hinterlüfteten Fassaden kann dann die entstehende Nässe abtrocknen, bei diffusionsdichten Materialien schlecht. Durch Innendämmung bleiben die Wände kalt und die Taupunktebene wird nach innen verschoben, bei fehlender Lüftung kann die Bauteilfeuchte nicht abtrocknen. Ebenso kann eine nächtliche Absenkung der Raumtemperatur (also fehlender Wärmenachschub in der Wand) die Taupunktebene nach innen verschieben.
An allen Taupunktebenen (die sich ja auch bewegen) verlagert sich die Feuchte aus der Luft in das Bauteil, die Bauteile vernässen dort und deren Feuchtegehalt steigt. Hieraus können sich ergeben: Die Wärmeleitfähigkeit von Mauerwerk und Dämmstoffen nimmt zu und die Wärmedämmwirkung nimmt entsprechend ab, Dies kann zu einem Versagen der Wärmedämmung führen. Die dann bessere Wärmeleitung führt in der Folge zu stärkerer Auskühlung. Bei einer Raumtemperatur-Absenkungen über Nacht wird zwar „nachgeführte Wärme“ reduziert aber in dem dann feuchteren Mauerwerk die Restwärme schneller abgeleitet, solche Temperaturabsenkungen werden deshalb kontroversiell diskutiert. Nachheizen am Tag kann wieder zur Verdampfung der entstandenen Bauteilfeuchte führen (die beim Kondensieren freigesetzte und abgeleitete Kondensationswärme muss als Verdampfungswärme wieder ergänzt werden). Gefahren gesundheitsgefährdender Schimmelbildung, denn in vernässten Bauteilen, die nicht abtrocknen, können Schimmel und Algen wachsen, sofern organische Stoffe (von Wandfarben, Tapeten, Wärmedämmstoffen oder Holz) vorhanden sind. mögliche Bauschäden durch Frostsprengung und Bildung von Kapillarrissen, die wiederum Feuchte transportieren können und die Wärmedämmwirkung anderweitig herabsetzen können. Die Vernässung durch die angefallene Tauwassermenge muss periodisch wieder austrocknen können (indem nicht-gesättigte Luft dort Feuchte aufnehmen kann).
mini|Typischer Schimmelbefall an Innenwändenecken, in denen die warme Heizkörperluft stark abkühlt und ungenügend zirkuliert