www.energie-lexikon.info, enlex.info
RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen

Wasserdampf

<<<  |  >>>  |  Feedback

Definition: Wasser im gasförmigen Zustand, oder (umgangssprachlich) sichtbare Schwaden von kondensierendem Wasserdampf in Luft

Summenformel: H2O

Englisch: water vapor

Kategorien: Energieträger, Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 22.12.2014; letzte Änderung: 15.06.2015

Umgangssprachlich versteht man unter Wasserdampf häufig etwas anderes als in Wissenschaft und Technik.

In Wissenschaft und Technik versteht man unter Wasserdampf die Substanz Wasser (H2O) im gasförmigen Zustand. Auf diese Definition bezieht sich auch der Großteil dieses Artikels. Umgangssprachlich sind mit Wasserdampf allerdings häufig sichtbare Dampfschwaden gemeint, die entstehen, wenn in der Luft feine Wassertröpfchen durch Kondensation des enthaltenen Wasserdampf gebildet werden. Beispielsweise enthalten Wolken eine große Anzahl solcher kleiner Wassertröpfchen und sind dadurch überhaupt erst sichtbar, weil Licht an den Tröpfchen gestreut wird. Übrigens können sehr kleine Wassertröpfchen anders als große Regentropfen lange in der Luft verharren, da ihre Fallgeschwindigkeit sehr gering ist.

Oft spricht man nur von Dampf, wenn vom Zusammenhang her klar ist, dass Wasserdampf gemeint ist – auch wenn es Dämpfe natürlich auch von vielen anderen Substanzen gibt.

Wasserdampf hat in der Energietechnik eine sehr große Bedeutung:

Auch außerhalb der Energietechnik wird häufig so genannter Prozessdampf benötigt, d. h. Wasserdampf, der einem Prozess dient. Häufig ist seine wichtigste Funktion die Zufuhr von Wärme; in manchen Fällen nimmt der Wasserdampf auch an einer chemischen Reaktion teil (beispielsweise in Erdölraffinerien und bei der Kohlevergasung).

Früher hatten manche Gebäude eine Dampfheizung, bei der Wasserdampf die Heizwärme von einem Heizkessel (Dampfkessel) zu den Heizkörpern transportierte. Solche Systeme werden jedoch kaum mehr eingesetzt, da sie gegenüber heutigen Zentralheizungssystemen (mit flüssigem Wasser) eine Reihe von Nachteilen aufweisen. Hierzu gehören die niedrigere Energieeffizienz als Folge der hohen Leitungsverluste bei hohen Temperaturen und auch sicherheitstechnische Nachteile.

Wasserdampf spielt in der Erdatmosphäre eine äußerst wichtige Rolle. Unter anderem ist er das wichtigste Treibhausgas.

Wasserdampf spielt auch in der Erdatmosphäre eine äußerst wichtige Rolle. Beispielsweise transportiert mit viel Wasserdampf beladene Luft eine große Menge latenter Wärme, die später beim Kondensieren frei werden kann. (Dies ist der Grund, warum Luft nach dem Überqueren eines Gebirges, wo es beim Aufsteigen zum Ausregnen der Wolken kommt, wärmer ist; dieses Phänomen wird als Föhn bezeichnet.) Außerdem verursacht Wasserdampf (und nicht etwa Kohlendioxid) den größten Beitrag zum sogenannten Treibhauseffekt in der Erdatmosphäre: Wolken führen zwar einerseits zur teilweisen Reflexion von Sonnenlicht zurück in das Weltall, andererseits aber auch zur Reflexion der Wärmestrahlung der Erde, wobei letzterer Effekt im Mittel überwiegt. Die Wirkung des Kohlendioxids (CO2) wird dadurch indirekt ganz wesentlich verstärkt (Wasserdampf-Rückkopplung): Eine Verstärkung des Treibhauseffekts durch CO2 führt zu einem höheren Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und damit zu einer weiteren Verstärkung des Treibhauseffekts, d. h. zu einer deutlich verstärkten Erderwärmung; siehe auch den Artikel über Klimagefahren.

Da viele Brennstoffe wesentliche Mengen von Wasserstoff (in chemisch gebundener Form) enthalten, entsteht bei deren Verbrennung Wasserdampf. Dies gilt insbesondere für Erdgas und für Erdölprodukte. Eine Folge hiervon kann die Versottung von Schornsteinen sein, wenn die Abgastemperatur recht niedrig gewählt wird und die verwendeten Materialien nicht feuchteresistent sind. Andererseits lässt sich in Brennwertkessel zusätzliche Wärme gewinnen, indem man den Wasserdampf kondensiert und das entstandene Kondenswasser ableitet.

Physikalische Grundlagen

Wasser kann auch unterhalb von 100 °C verdunsten oder gar sieden und noch weit oberhalb von 100 °C flüssig sein!

Entsprechend einer weit verbreiteten Vorstellung ist Wasser bei Temperaturen zwischen 0 °C und 100 °C flüssig und oberhalb von 100 °C gasförmig. Die Wirklichkeit ist allerdings deutlich komplizierter. Zunächst einmal gelten die genannten Temperaturgrenzen zwischen den Aggregatzuständen nur für Normaldruck (1013 mbar), was in etwa dem gewöhnlich auftretenden atmosphärischen Luftdruck an nicht allzu hoch gelegenen Standorten entspricht. Die Siedetemperatur, also die Grenze zwischen flüssigem und gasförmigem Aggregatszustand, nimmt mit zunehmendem Druck zu (siehe Abbildung 1). Hinzu kommt, dass auch unterhalb der Siedetemperatur Wasser verdunsten kann, und zwar so lange, bis der dadurch entstehende Druck (Partialdruck) des Wasserdampfs den sogenannten Dampfdruck erreicht, der wiederum temperaturabhängig ist.

Das Sieden erfolgt, wenn bei gegebenem Druck das flüssige Wasser die Siedetemperatur erreicht hat und weiter Wärme zugeführt wird. Es bilden sich dabei Dampfblasen, die im Wasser aufsteigen. Der Dampfdruck bei der Siedetemperatur entspricht dem äußeren Druck. Deswegen kann in Abbildung 1 die Siedetemperatur für einen bestimmten Druck ermittelt werden als die Temperatur, für die der Druck den entsprechenden Wert erreicht.

Siedekurve von Wasser

Abbildung 1: Die Siedekurve von Wasser im Bereich moderater Temperaturen. Bei 100 °C erreicht der Dampfdruck den Normaldruck (1013 mbar = 101,3 kPa).

Abbildung 2 zeigt ebenfalls die Siedekurve, aber in einem höheren Temperaturbereich, wo auch entsprechend größere Drucke erreicht werden. Die Kurve endet am sogenannten kritischen Punkt bei ca. 374 °C und 221 bar; oberhalb von diesem sind flüssiges und gasförmiges Wasser nicht mehr voneinander unterscheidbar. Bereits knapp unterhalb des kritischen Punkts wird dieser Unterschied gering, d. h. das Volumen nimmt beim Sieden kaum mehr zu, und die Verdampfungswärme ist viel geringer als bei Normaldruck.

Siedekurve von Wasser

Abbildung 2: Die Siedekurve von Wasser im Bereich hoher Temperaturen. Bei ca. 374 °C und 221 bar liegt der sogenannte kritische Punkt; darüber sind flüssiges und gasförmiges Wasser nicht mehr unterscheidbar.

Während des Siedens steigt trotz Wärmezufuhr die Temperatur des Wassers nicht an; die zugeführte Wärme wird allein für das Verdampfen verbraucht (→ latente Wärme, siehe Abbildung 3). Die Menge der spezifischen Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) ist bei Wasser besonders hoch; sie beträgt bei Normaldruck ca. 2257 kJ/kg, im Vergleich zu nur 420 kJ/kg für die Erwärmung des Wassers von 0 °C auf 100 °C.

Schmelzen, Erhitzen und Verdampfen von Wasser

Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf der Temperatur, wenn 1 kg Wassereis mit einer Leistung von 100 W aufgeheizt wird. Die Temperatur bleibt besonders lange bei 100 °C, da das Verdampfen sehr viel Wärme verbraucht.

Bei sehr geringen Drucken (unterhalb von ca. 6 mbar, entsprechend dem Tripelpunkt des Wassers) gibt es kein flüssiges Wasser mehr, sondern nur noch festes (Eis) und Wasserdampf. Eis sublimiert beim Erwärmen dann also direkt zur Wasserdampf, ohne vorher geschmolzen zu werden. Auch bei Normaldruck kann die Sublimation auftreten, ähnlich der Verdunstung.

Wasserdampf kann nicht nur Wärme transportieren, sondern enthält auch Exergie. Dies wird beim Betrieb von Dampfturbinen und Dampfmaschinen genutzt.

Nassdampf, Sattdampf und Heißdampf

Beim Sieden entsteht zunächst sogenannter Sattdampf, der bzgl. Temperatur und Druck genau an der Siedekurve liegt (soweit man sich unter dem kritischen Punkt befindet). Verliert dieser Dampf nun etwas Wärme, beispielsweise durch Kontakt mit kühlerer Luft, kondensiert ein Teil des Wasserdampfs zu kleinen Wassertröpfchen, sodass sichtbare Dampfschwaden entstehen. Hier spricht man von Nassdampf. Der Anteil des eigentlichen Dampfs (gasförmigen Wassers) wird häufig durch dessen Massenanteil x (zwischen 0 und 1) ausgedrückt.

Wird dagegen der Dampf nach dem Sieden weiter erwärmt, sodass seine Kombination von Druck und Temperatur im obigen Diagramm rechts von der Siedekurve liegt, spricht man von Heißdampf oder überhitztem Dampf. Dieser enthält keine flüssigen Wassertröpfchen mehr, da eine Kondensation erst erfolgen kann, wenn die Siedekurve durch Abkühlung oder Druckerhöhung wieder erreicht wird.

Vorsicht: Mit Trockendampf meint man nicht überhitzten Dampf, sondern Sattdampf!

Die Bezeichnung Trockendampf kann leicht missverstanden werden, da man damit meist genauer trocken gesättigten Dampf versteht, gleichbedeutend mit Sattdampf, und nicht etwa überhitzten Dampf. Trockendampf in diesem Sinne enthält zwar keine Wassertröpfchen, aber diese bilden sich anders als bei Heißdampf sogleich, wenn auch nur eine minimale Abkühlung erfolgt.

Oberhalb des kritischen Punktes spricht man von überkritischem Dampf, der chemisch und physikalisch relativ aggressiv ist, beispielsweise stark fettlösend.

Dampfzustände im Dampfturbinenkraftwerk

Manche Dampfturbinen müssen so betrieben werden, dass der Wasserdampf darin an allen Stellen im Bereich des Heißdampfs bleibt, d. h. dass keine Wassertröpfchen auftreten. Diese könnte nämlich die Turbine auf Dauer beschädigen. Es gibt aber auch Kondensationsturbinen, die die Kondensation eines erheblichen Teils des Wasserdampfs tolerieren können. In einem Dampfturbinenkraftwerk verwendet man meist mehrere Turbinenstufen, wobei vor allem die erste mit stark überhitzten Dampf (Heißdampf) betrieben wird, während die letzte eine Kondensationsturbinen ist. Zwischen den Turbinenstufen wird häufig ein so genannter Zwischenüberhitzer angewandt, der den Dampf wieder weiter in den Bereich des Heißdampfs bringt. Dies dient nicht nur zur Schonung der Turbinen, sondern ermöglicht auch einen höheren Wirkungsgrad des Kraftwerks.

Die erste Turbinenstufe bei modernen Dampfturbinenkraftwerken arbeitet weit im überkritischen Bereich, beispielsweise bei 600 °C und 285 bar. Sogar noch höhere Werte von 700 °C und 350 bar werden für zukünftige Kraftwerke angepeilt, um den Wirkungsgrad noch weiter zu erhöhen. Die Grenzen werden im Wesentlichen durch die Belastbarkeit der verfügbaren Materialien gesetzt.

Erzeugung von Dampf

Wasserdampf wird häufig in Dampfkesseln als Teil von Dampferzeugern hergestellt. Die Kernkomponente eines Dampfkessels ist ein Wärmeübertrager, in dem flüssigem Wasser Wärme zugeführt wird (beispielsweise von einem Verbrennungsprozess oder von einem Kernreaktor), sodass es siedet. Hierbei entsteht Sattdampf, dessen Temperatur durch den herrschenden Druck festgelegt ist.

Für manche Anwendungen (insbesondere für Dampfturbinen) wird zusätzlich ein so genannter Überhitzer eingesetzt, d. h. ein zweiter Wärmeübertrager, mit dem die Temperatur des Dampfs bei etwa gleich bleibendem Druck weiter erhöht wird, um Heißdampf zu erhalten.

In manchen Kernreaktoren, die als Siedewasserreaktoren bezeichnet werden, kann direkt Wasserdampf erzeugt werden. Bei Druckwasserreaktoren dagegen wird die Verdampfung durch einen hohen Betriebsdruck verhindert, und es wird ein separater Dampferzeuger verwendet. Eine Überhitzung des Dampfs lässt sich kaum realisieren, da dafür eine Wärmequelle mit höherer Temperatur benötigt würde. Dies ist ein wichtiger Grund für den meist niedrigeren Wirkungsgrad von Kernkraftwerken.

Bei Verwendung von Verbrennungsgasen bleibt deren Temperatur oberhalb der Dampftemperatur (vor dem Überhitzer), sodass hohe Abgasverluste resultieren würden, wenn die Gase direkt als Abgas nutzlos abgegeben würden. Deswegen wird häufig noch ein so genannter Economiser verwendet, der dem Abgas weitere Wärme entzieht, die meist zur Vorwärmung des Speisewassers (d. h. des dem Dampfkessel zugeführten flüssigen Wassers) dient. Eine weitere Möglichkeit der Wärmerückgewinnung ist die Vorwärmung der Verbrennungsluft.

In in manchen Fällen liefert ein Kraftwerk nicht nur elektrische Energie, sondern auch Wasserdampf als Prozessdampf für benachbarte Industriebetriebe. Wenn dieser Dampf als Zwischendampf entnommen wird, weil keine allzu hohe Dampftemperatur benötigt wird, ist dies energetisch günstiger, als einen separaten Dampfkessel für die Industriebetriebe zu betreiben. Es wird nämlich immerhin ein Teil der Exergie des ursprünglich erzeugten heißeren Dampfes für die Stromerzeugung genutzt.

Wasserdampf in der Luft

Wie oben erläutert verdunstet Wasser selbst bei niedrigen Temperaturen, bis der sogenannte Dampfdruck (eine nur von der Temperatur abhängige Größe, abzulesen in Abbildung 1) erreicht wird. Wenn sich also flüssiges Wasser im Kontakt mit Luft befindet, nimmt beim Verdunsten der Wasserdampfgehalt der Luft so lange zu, bis der Partialdruck des Wasserdampfs (und nicht etwa der gesamte Luftdruck) dem genannten Dampfdruck entspricht. Wenn dieser Punkt erreicht ist, kann zwar mikroskopisch gesehen weiterhin Wasser verdunsten, jedoch kondensiert gleichzeitig die gleiche Menge, sodass der Wasserdampfgehalt der Luft nicht mehr ansteigen kann.

Die Luftfeuchtigkeit ist ein Maß für den Wasserdampfgehalt der Luft, welches in zwei Varianten verwendet wird. Die absolute Luftfeuchtigkeit wird beispielsweise in g/m3 (Gramm pro Kubikmeter) angegeben, während die relative Luftfeuchtigkeit zeigt, welcher Anteil des Dampfdrucks von Wasser bzw. welcher Anteil des maximalen Wasserdampfgehalts der Luft erreicht ist. Die Luftfeuchtigkeit in Gebäuden spielt eine wichtige Rolle für das menschliche Wohlbefinden. Eine zu hohe Luftfeuchtigkeit kann zur Schimmelbildung führen.

Wie viel Wasserdampf die Luft aufnimmt, hängt nicht etwa von deren Eigenschaften ab!

Oft ist die Rede davon, dass die Luft bei einer bestimmten Temperatur nur eine bestimmte Menge von Wasserdampf aufnehmen könne. Dies ist insofern irreführend, da dieser maximale Gehalt nicht etwa von den Luftmolekülen (d. h. deren “Toleranz” für Wasser) bestimmt wird, sondern vielmehr eine Eigenschaft des Wassers selbst ist. Bei Verwendung eines anderen Gases als Luft (beispielsweise Argon, mit völlig anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften als Luft) ergäbe sich kein anderer maximaler Wasserdampfgehalt.

Siehe auch: Dampfturbine, Dampfmaschine, Dampfkessel, Dampferzeuger, Luftfeuchtigkeit
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Kommentare von Lesern

Hier können Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass der Kommentar für andere Leser potenziell nützlich ist.

Ihr Name:
(freiwillige Angabe – auch Pseudonyme sind erlaubt)
Ihre E-Mail-Adresse:
(freiwillige Angabe)
Ihr Hintergrund:
(freiwillige Angabe, z. B. Energieberater, Handwerker oder Journalist)
Ihr Kommentar:
Spam-Prüfung:   (bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Bem.: Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihren Kommentar hier zu veröffentlichen. (Sie können diese später auch widerrufen.) Da Kommentare zunächst vom Autor durchgesehen werden, erscheinen sie verzögert, z. B. erst am Folgetag oder evtl. noch etwas später.

Wie gefällt Ihnen dieser Artikel?

Ihr Gesamteindruck: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Fachliche Qualität: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Lesbarkeit: weiß nicht unbefriedigend in Ordnung gut ausgezeichnet
Verdient dieser Artikel (oder das Energie-Lexikon insgesamt) Ihrer Ansicht nach Links von anderen Webseiten?
  nein eventuell ja
Kommentar:

Vielleicht haben Sie auch konkrete Vorschläge für inhaltliche Ergänzungen, nützliche Literaturangaben etc. Falls Sie eine bessere Website für dieses Thema kennen, sind wir dankbar für einen Hinweis darauf.

Wenn Sie einen Kommentar zur Veröffentlichung auf unserer Seite vorschlagen möchten, verwenden Sie dazu bitte das Formular im Kasten "Kommentare von Lesern".

Spam-Prüfung: (bitte den Wert von 5 + 8 hier eintragen!)

Wenn Sie eine Antwort möchten, können Sie Ihre E-Mail-Adresse im Kommentarfeld hinterlassen oder direkt eine E-Mail senden. Letztere Methode führt meist zu schnelleren Antworten.

Wenn Ihnen das RP-Energie-Lexikon gefällt, möchten Sie vielleicht auch den RP-Energie-Blog als E-Mail-Newsletter abonnieren.

Teilen Sie den Link auf diesen Artikel mit anderen:

Spannendes für Auto- und Motor-Freaks

Inzwischen enthält das Lexikon viele interessante Details zur Kraftfahrzeugtechnik, zum Beispiel:

Ein Tipp: Auf der Seite der Kategorien können Sie immer mehr zu einem Thema finden!

Aktuell: Abgasmanipulationen bei Volkswagen und Abschalteinrichtungen mit Thermofenster!

– Alle Banners –

– Ihr eigenes Banner! –

Die Startseite gibt Ihnen den Einstieg in das RP-Energie-Lexikon, auch mit Tipps zur Benutzung.
Hier finden Sie diverse Ratgeber-Artikel, insbesondere im Bereich der Haustechnik.
Hiermit wird Ihnen ein zufällig ausgewählter Lexikonartikel angezeigt.
Der RP-Energie-Blog präsentiert Interessantes und Aktuelles zum Thema Energie. Er ist auch als E-Mail-Newsletter erhältlich.
Hier finden Sie die Kontaktinformationen und das Impressum.
Werden Sie ein Sponsor des RP-Energie-Lexikons – des besten deutschsprachigen Energielexikons im Internet!
Hier erfahren Sie mehr über den Autor des RP-Energie-Lexikons und seine Grundsätze.
Hier können Sie die Artikel des RP-Energie-Lexikons nach Kategorien geordnet durchstöbern.
Verbreitete Irrtümer zu Energiefragen werden hier detailliert aufgedeckt.
Der Glossar fasst die Definitionen von Fachbegriffen aus den Artikeln zusammen.
Mit dem Energie-Quiz können Sie Ihr Wissen im Energiebereich testen und vertiefen.
Hier werden die Hintergründe des Projekts beschrieben, auch die gewählten Grundsätze.
Mit zigtausenden von Nutzern pro Monat ist das RP-Energie-Lexikon zu einer interessanten Werbeplattform geworden.
Vom Autor des RP-Energie-Lexikons können Sie auch Beratung erhalten, insbesondere zu Energie-Technologien.
Hier finden Sie die Liste aller Artikel zu einem bestimmten Anfangsbuchstaben.
Hier können Sie nach Artikeln suchen, deren Titel ein bestimmtes Stichwort enthalten.
(Beachten Sie auch die Volltextsuche beim Menüpunkt "Suche"!)