Regentropfen

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Dampfdruck und Verdampfung

Verdampfung

In einer Flüssigkeit sind nicht alle Moleküle gleich schnell. Es gibt also immer auch welche, die schnell genug sind, um die Anziehung innerhalb der Flüssigkeit zu überwinden und die Flüssigkeit zu verlassen – deshalb verdunstet Wasser. Diese entflohenen Moleküle bilden Wasserdampf – also gasförmiges Wasser – über dem flüssigen Wasser. Im Dampf wiederum gibt es auch Moleküle, die so langsam sind, dass sie von der Flüssigkeit eingefangen werden können. Solange die Luft noch nicht mit Wasserdampf gesättigt ist, verlassen mehr Wassermoleküle die Flüssigkeit, als wieder von ihr eingefangen werden.
Die Menge Moleküle im Wasser, die schnell genug sind, ist unabhängig vom Wassergehalt der Luft, also bei feuchter und trockener Luft gleich groß. Die Menge „Dampfmoleküle“, die vom Wasser wieder eingefangen werden können, ist aber abhängig von der Menge Dampf. Ist also wenig Dampf in der Luft über dem Wasser, treffen nur wenige Moleküle mit genügend kleiner Geschwindigkeit auf die Wasseroberfläche und es können also nur entsprechend wenige „Dampfmoleküle“ ins flüssige Wasser übertreten – während die Menge Wassermoleküle, die die Flüssigkeit verlässt, immer die gleiche ist. Es wird also mehr Wasser verdampfen, als wieder kondensiert. Insgesamt nimmt so die Dampfmenge zu und die Wassermenge ab, und zwar so lange, bis die Aufnahmekapazität der Luft für Wasserdampf erreicht ist, die Luft also wasserdampfgesättigt ist. Ist die Wassermenge klein genug, verdunstet sie deshalb vollständig, weil die Sättigung der Luft mit dem wenigen Wasser nicht erreicht werden kann. Deshalb lässt sich unter anderem Wäsche an der Luft trocknen.

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Dampfdruck

Man spricht hier vom Dampfdruck des Dampfes über der Flüssigkeit. Es handelt sich also um den Teil des Luftdruckes, der durch den Wasserdampf beigesteuert wird. Viele „Dampfmoleküle“, also eine hohe Dampfdichte, bedeutet auch einen hohen Dampfdruck (und umgekehrt). Bei hohem Dampfdruck verdampft also weniger (und kondensiert mehr) als bei niedrigem Dampfdruck (kleiner Dampfdichte).

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Sättigungsdampfdruck

Ist die Luft jedoch gesättigt mit Wasserdampf, herrscht ein Gleichgewicht, bei dem gleich viele Moleküle die Flüssigkeit verlassen wie wieder von ihr eingefangen werden. Makroskopisch ändert sich also nichts – obwohl mikroskopisch die Moleküle natürlich ständig in Bewegung sind, die Flüssigkeit verlassen und in sie eintreten. Den Dampfdruck in diesem Gleichgewichtszustand nennt man den Sättigungsdampfdruck.
Flüssigkeit verdunstet, solange der Dampfdruck kleiner ist als der Sättigungsdampfdruck – so lange also weniger Dampf in der Luft ist als zur Sättigung nötig wäre. Größer als der Sättigungsdampfdruck wird der Dampfdruck nicht, da der Dampf dann anfängt zu kondensieren, womit dann mehr Moleküle in die flüssige Phase übertreten als verdampfen.
Der Sättigungsdampfdruck ist abhängig von der Temperatur – dies ist nur eine andere Formulierung der Tatsache, dass warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kalte. Nehmen wir zum Beispiel einen Wassertropfen im Gleichgewicht mit dem Dampf in kalter Umgebungsluft, es herrscht also Sättigungsdampfdruck. Nun erhöhen wir die Temperatur. Der Sättigungsdampfdruck ist für höhere Temperaturen größer, so dass der aktuell herrschende Dampfdruck plötzlich kleiner ist als der Sättigungsdampfdruck. (Nicht der Dampfdruck hat ab-, sondern der Sättigungsdampfdruck hat mit der Temperatur zugenommen.) Es kann also wieder mehr Wasser dem Tropfen entweichen, als zu ihm zurückkehrt, und er verdunstet. Umgekehrt führt ein Senken der Temperatur dazu, dass der aktuelle Dampfdruck größer wird als der Sättigungsdampfdruck, weil der Sättigungsdampfdruck bei kleinerer Temperatur ebenfalls kleiner ist. In der Folge kondensiert Wasser aus, weil mehr Wassermoleküle vom Wasser eingefangen werden als in die Dampfphase übergehen.

Ist die Temperatur so hoch, dass der Sättigungsdampfdruck den Außendruck erreicht (also den „gesamten“ Luftdruck), beginnt die Flüssigkeit auch im Inneren zu verdampfen – das Wasser kocht. Dazu muss man bei Normaldruck das Wasser auf 100 °C erhitzen.
Umgekehrt kann man auch den Luftdruck verringern auf den Wert des aktuellen Sättigungsdampfdruckes – bei Zimmertemperatur muss man dazu den Luftdruck auf etwa 30 hPa (also etwa 1/30 des Normaldruckes) verringern.
Daher kommt es, dass Kaffee auf hohen Bergen nicht schmeckt – dort ist der Luftdruck geringer, der Sättigungsdampfdruck über erhitztem Wasser erreicht also eher den Wert des Außendruckes und Wasser beginnt bereits bei niedrigerer Temperatur zu sieden, als für den Kaffeegenuss gut wäre.

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Sättigungsdampfdruck über Eis und über Wasser

Über Eis ist der Sättigungsdampfdruck kleiner als über flüssigem Wasser. Das kommt daher, dass die Moleküle im Eis fester gebunden sind und dieses schwerer verlassen. Dem Eis entweichen also weniger Moleküle. Deshalb müssen auch weniger Moleküle im Dampf über dem Eis vorhanden sein, um dieses Entweichen durch Anlagerung wieder auszugleichen und ein Gleichgewicht zu erreichen. (Siehe unter Wirbelsturm)
Darin liegt der Grund für das rasche Wachstum von Eiskörnern in Wolken, wenn sie zusammen mit Wassertropfen vorliegen. Aus den Wassertropfen verdampft solange Wasser, bis der Sättigungsdampfdruck erreicht ist und Gleichgewicht herrscht. Für die Eiskörner herrscht zwar derselbe Dampfdruck, der ist aber deutlich höher ist als „ihr“ Sättigungsdampfdruck – aus dem Dampf lagern sich deshalb Wassermoleküle an die Eiskörner an. Der Wasserdampf wird der Luft dadurch zwar entzogen, die Wassertropfen liefern aber durch Verdunstung ständig Wasserdampf nach, weil sie natürlich „ihren“ Sättigungsdampfdruck erhalten möchten. Für die Wassertropfen herrscht also weiterhin Sättigungsdampfdruck, für die Eiskörner dagegen ein ständiger „Dampfüberdruck“, der Moleküle sich am Eis anlagern lässt. So wachsen die Eiskörner rasch auf Kosten der Wassertropfen, bis sie so schwer sind, dass sie nicht mehr in den Aufwinden schweben können, sondern nach unten fallen und der Niederschlag einsetzt.

Abb. 1 ¦ Eiskristalle   Eiskristalle
BildunterschriftÜber Eis herrscht ein kleinerer Dampfdruck …Bildunterschrift Ende
Abb. 1 ¦ Regentropfen   Regentropfen
Bildunterschrift… als über Wasser.Bildunterschrift Ende

Partialdruck

Statt vom Dampfdruck spricht man auch vom Partialdruck (also „Teildruck“) des Dampfes. Hier kommt zum Ausdruck, dass mit dem Dampfdruck nur der Teil des (Luft)Druckes gemeint ist, den der Wasserdampf auf die Flüssigkeit ausübt.

© Wiebke Salzmann, April 2009

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