14.9 Luftfeuchtigkeit
Du kennst sicher die Wassertropfen auf Pflanzen, die du am Morgen beobachten kannst.
In diesem Kapitel geht es um Luftfeuchtigkeit, wie Tau entsteht und wie du deinen Wärmehaushalt an heißen Tagen regulierst.
14.9.1 Verdunsten
Da die Geschwindigkeiten der Teilchen statistisch verteilt sind, gibt es bei jeder Temperatur Moleküle, die so schnell sind, dass sie gegen die Molekülkräfte die Oberfläche der Flüssigkeit verlassen. In einem offenen Gefäß hält dieser Zustand an, bis schließlich die gesamte Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand übergegangen ist. Das Austreten von Flüssigkeitsmolekülen aus der Flüssigkeit unterhalb der Siedetemperatur heißt Verdunsten (engl. evaporation). Oberhalb des Siedepunkts sind die Molekülgeschwindigkeiten dann so groß, dass auch innerhalb der Flüssigkeit gasförmige Bereiche (Dampfblasen) entstehen und der Übergang in den gasförmigen Zustand beschleunigt wird.
14.9.2 Dampfdruck
Wir geben Wasser in ein geschlossenes Gefäß (Bild 14.59) und die Flüssigkeit beginnt zu verdunsten und sammeln sich im Bereich oberhalb der Flüssigkeit. Durch Stöße im Gas werden einige Moleküle wieder langsamer und kehren in die Flüssigkeit zurück. Noch verdunsten mehr Moleküle als in die Flüssigkeit zurückkehren. Das Gas wird ungesättigter Dampf genannt.
Nach einiger Zeit verdunsten pro Zeiteinheit gleich viele Moleküle, wie Moleküle wieder zurückkehren. Druck, Volumen und Temperatur ändern sich bei diesem dynamischen Gleichgewicht (engl. dynamic equilibrium) nicht mehr. Das Gas wird jetzt gesättigter Dampf genannt und der herrschende Druck Dampfdruck.
Die Menge an Wassermolekülen über der Flüssigkeit im gesättigten Zustand ist unabhängig von einem eventuell zusätzlich vorhandenen Gas!
14.9.3 Maximale Luftfeuchtigkeit
Der Dampfdruck im Behälter 14.59 ist abhängig von der Temperatur. Je höher die Temperatur, desto größer ist die durchschnittliche Molekülgeschwindigkeit. Sind die Molekülgeschwindigkeiten größer, steigt die Verdunstung und damit der Dampfdruck.
Das Diagramm 14.60 zeigt dir für eine bestimmte Temperatur, wie viel Wasser (Gramm pro Kubikmeter) sich bei gesättigtem Dampf über der Flüssigkeit befinden (maximale Luftfeuchtigkeit).
Der Begriff Luftfeuchtigkeit ist vielleicht etwas irreführend. Die Menge an Wasser im gesättigten Dampf ist nämlich vollkommen unabhängig davon, ob Luft (oder ein anderes Gas) vorhanden ist oder nicht.
14.9.4 Relative Luftfeuchtigkeit
Alle bisherigen Überlegungen sind von einem geschlossenen Gefäß ausgegangen. Was passiert, wenn das Gefäß offen ist? In diesem Fall werden die verdunsteten Teilchen nicht über der Flüssigkeit bleiben und es wird sich kein dynamisches Gleichgewicht einstellen. Die Feuchtigkeit in der Luft wird unterhalb der maximalen möglichen Feuchtigkeit bleiben.
Diese Feuchtigkeit kann entweder als absolute Luftfeuchtigkeit (in Gramm pro Kubikmeter) oder als relative Luftfeuchtigkeit (als Prozentsatz der maximal möglichen Luftfeuchtigkeit) angegeben werden. In Bild 14.61 siehst du den Zusammenhang von absoluter und relativer Luftfeuchtigkeit.
Hat es beispielsweise eine Temperatur von \(40\;^\circ\mathrm{C}\) und beträgt die Luftfeuchtigkeit \(10\,\%\), entspricht das einer absoluten Luftfeuchtigkeit von \(5\;\mathrm{g}\) Wasser in \(1\;\mathrm{kg}\) Luft.
14.9.5 Verdunstungskälte
Beim Verdunsten verlassen die schnellsten Teilchen auch unterhalb der Siedetemperatur von Wasser. In einem offenen Gefäß wird kein Sättigungszustand erreicht. Durch das Fehlen der schnellsten Teilchen im Wasser sinkt die Innere Energie und damit die Temperatur der Flüssigkeit. Dadurch entsteht eine Temperaturdifferenz und Wärme kann aus der Umgebung aufgenommen werden. Dieser Prozess dauert an, bis die gesamte Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand übergegangen ist.
Du kannst diesen Vorgang an heißen Tagen nutzen, Getränke zu kühlen. Dazu tränkst du zum Beispiel ein Handtuch mit Wasser und wickelst es um eine Flasche. Das verdunstende Wasser entzieht der Flasche Wärme (Verdunstungskälte) bis das Handtuch trocken ist.
14.9.6 Kühlung des menschlichen Körpers
Der Menschen zählt zu den gleichwarmen (homöothermen) Lebewesen. Damit unsere Vitalfunktion aufrecht bleiben, müssen wir dafür sorgen, dass unsere Kerntemperatur annähernd konstant \(37\;^\circ\mathrm{C}\) beträgt. Ist die Umgebung kalt, verlieren wir Wärme in Form von Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmeströmung und wir müssen uns zum Beispiel durch Kleidung vor dem Wärmeverlust schützen. Liegt die Außentemperatur über der Kerntemperatur, müssen wir Wärme abführen. Da Wärme von selbst aber immer nur auf den Körper niedriger Temperatur übergeht, erhöhen Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmeströmung unsere Körpertemperatur. Als letzte Möglichkeit, Wärme an die Umgebung abzuführen, bleibt uns das Schwitzen.
Befindet sich Flüssigkeit auf unserer Haut, wird dem Körper durch Verdunsten Wärme entzogen (Verdunstungskälte). Wird die feuchte Luft dann noch durch Wind von unserer Haut entfernt, beschleunigt das den Verdunstungsprozess (zum Beispiel durch Fahrtwind). Je gesättigter die Luft (je höher die Luftfeuchtigkeit) ist, desto langsamer ist der Verdunstungsprozess. Hohe Luftfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen empfinden wir als Schwüle – wir schwitzen viel und verlieren nur wenig Wärme und dadurch kommt uns die Temperatur höher vor, als sie eigentlich ist. Der Hitzeindex (14.62) beschreibt die gefühlte Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit.
In der Sauna index{Sauna} und im Dampfbad index{Dampfbad} wird dieser Effekt gezielt ausgenutzt. In einer Sauna hat es Temperaturen um die \(90\;^\circ\mathrm{C}\), aber die Luftfeuchtigkeit liegt nur bei etwa \(10\,\%\). Daher können wir durch Schwitzen ausreichend Wärme abführen. Beim Aufguss wird die Luftfeuchtigkeit kurzfristig erhöht und wir schwitzen mehr. Im Gegensatz zur Sauna hat es im Dampfbad eine gemäßigte Temperatur von rund \(50\;^\circ\mathrm{C}\), aber eine Luftfeuchtigkeit von \(50\,\%\). Obwohl hier die Temperaturen niedriger sind, schwitzen wir annähernd gleich viel, weil die Abfuhr von Wärme durch die höhere Luftfeuchtigkeit erschwert wird.
14.9.7 Taupunkt
Da die maximale Luftfeuchtigkeit von der Temperatur abhängt, entspricht eine bestimmte absolute Luftfeuchtigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich großer relativen Luftfeuchtigkeiten. Die Menge Wasser in der Luft, die eine relative Luftfeuchtigkeit von \(20\,\%\) bei \(35\;^\circ\mathrm{C}\) bedeutet, entspricht einer relativen Luftfeuchtigkeit von \(70\,\%\) bei nur \(15\;^\circ\mathrm{C}\) (Bild 14.63). Sinkt die Temperatur weiter, wird der Taupunkt (engl. dew point) erreicht. Das ist die Temperatur, bei der die aktuelle Luftfeuchtigkeit den Sättigungspunkt (\(100\,\%\) Luftfeuchtigkeit) erreicht (in unserem Beispiel bei ca. \(9\;^\circ\mathrm{C}\)).
Sinkt die Temperatur weiter, ist der Sättigungsmenge überschritten und die überschüssige Feuchtigkeit kondensiert, die wir dann als Nebel oder Tau sehen können.
