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3.3 Luftfeuchtigkeit und Dampfdruck, Kondensation

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Wasser in Dampfform befindet sich auch bei den üblichen Umgebungstemperaturen (sogar unter 0 °C!) in geringen Mengen in der Luft und bestimmt dadurch die sog. Luftfeuchtigkeit. Zusammen mit den Hauptbestandteilen – Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase und Kohlendioxid – bildet der Wasserdampf das Gasgemisch unserer Umgebungsluft. Der atmosphärische Luftdruck als Gesamtdruck dieser Gasmischung setzt sich seinerseits aus den Dampfdrücken der einzelnen Luftbestandteile zusammen (→ Partialdrücke).

Mit Hilfe der Gasgleichung für Wasserdampf lässt sich die absolute Feuchtigkeit υ der Luft, d. h. die pro m3 Luft enthaltene Wasserdampfmenge, welche identisch mit der Teilmassendichte des Wasserdampfes ist, berechnen:

(3.1)

Für die Dampfmenge, die von der Luft aufgenommen werden kann, besteht eine obere Grenze, die Sättigungsdampfmenge ρsat in g · m–3 oder kg · m–3. Wird diese überschritten, so scheidet sich der überschüssige Dampf als Wasser aus. Diesen Vorgang nennt man Kondensation (Nebel, Wolken in freier Luft, Tautropfen, Niederschlag auf festen Oberflächen).

Sättigungsdampfmenge ρsat und entsprechender Sättigungsdampfdruck psat zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit – warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kalte (vgl. Abb. 3.5)

Ist der Wassergehalt der Luft bei einer bestimmten Temperatur kleiner als die entsprechende Sättigungsdampfmenge ρsat, so gibt die relative Luftfeuchtigkeit φa an, wieviel Prozent Wasserdampf die Luft – bezogen auf den möglichen Maximalgehalt – enthält:

Verlauf des Sättigungsdampfdruckes bzw. -gehaltes als Funktion der Temperatur, Näherungsformeln zur Beschreibung des Sättigungsdampfdruckes in den Bereichen –20 °C bis 0 °C bzw. 0 °C bis ca. 50 °C
Abbildung 3.5: Verlauf des Sättigungsdampfdruckes bzw. -gehaltes als Funktion der Temperatur, Näherungsformeln zur Beschreibung des Sättigungsdampfdruckes in den Bereichen –20 °C bis 0 °C bzw. 0 °C bis ca. 50 °C

(3.2)

oder mit Hilfe der Gleichung:

(3.3)

Übliche Werte der relativen Luftfeuchtigkeit φa (Innen- und Aussenklima) sind in der Tabelle 3.4 aufgeführt. Mit Hilfe der Gasgleichung kann auch die Massendichte von trockener Luft bestimmt werden:

(3.4)

Die Massendichte feuchter Luft lässt sich wie folgt ermitteln:

(3.5)
Abkühlung feuchter Luft
Abbildung 3.6: Abkühlung feuchter Luft (25 °C, 60 % r. F.) bis zum Sättigungspunkt (≙ Taupunkt (16,7 °C)); Auskondensieren von Wasserdampf bei weiterer Abkühlung auf 10 °C

Wird feuchte Luft abgekühlt, so steigt deren relative Feuchtigkeit an. Die Wasserdampfmenge bleibt erhalten, während die Sättigungsdampfmenge abnimmt. Wird der Sättigungswert überschritten, so scheidet sich das überschüssige Wasser aus. Die « Grenztemperatur », bei der feuchte Luft gesättigt ist und bei der sich Wasser auszuscheiden beginnt, wird als sog. Taupunkttemperatur bezeichnet. Achtung: Die Taupunkttemperatur ist im Allgemeinen nicht identisch mit dem Gefrierpunkt des Wassers, das heisst mit der Temperatur, bei der Eis zu tauen beginnt!

In Abb. 3.6 wird Raumluft (25 °C, φa ≈ 60 %) auf 10 °C abgekühlt. Bei 16,7 °C stimmt der Partialdruck pv mit dem Sättigungsdampfdruck überein → Taupunkttemperatur T.

Für eine umfassendere Beschreibung der Zustandsgrössen feuchter Luft und als übersichtlichere Darstellung zur Erfassung von Zustandsänderungen dient das sog. h,x-Diagramm von Mollier (vgl. Anhang 9.10). Es zeigt in einem schiefwinkligen Koordinatensystem auf der ca. 45 ° nach unten verlaufenden Abszissenachse den Wasserdampfgehalt x in g · (kg trockene Luft)–1, auf der Ordinatenachse die spezifische Enthalpie h in kJ · ((1 + x) kg)–1. Zur Erleichterung der Ablesung sind die x-Werte bzw. der zugehörige Partialdruck auf waagrechten Hilfsachsen dargestellt. Die Sättigungsdampfdruckkurve (φ = 100 %) trennt die Zustände ungesättigter feuchter Luft (φ < 100 %, oberhalb der Kurve) vom Bereich übersättigter Luft (Nebelgebiet, unterhalb der Kurve), bei einem Gesamtluftdruck von ca. 950 mbar. Die Isothermen (Linien konstanter Temperatur) sind im ungesättigten Bereich schwach ansteigende Geraden. Zudem sind Kurven konstanter relativer Feuchte φ und konstanter spezifischer Dichte ρ (kg Gemisch) · m–3 des Luft-Feuchte-Gemisches eingetragen. Beim h,x-Diagramm ist zu beachten, dass der Feuchtegehalt x auf 1 kg trockene Luft bezogen wird und dass die spezifische Enthalpie für trockene Luft bei 0 °C bzw. 273,15 K willkürlich gleich null gesetzt wird.


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2018-09-24T15:35:22+00:00
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