12.10 Luftfeuchtigkeit

Du kennst sicher die Wassertropfen auf Pflanzen die du am Morgen beobachten kannst.

Tautropfen auf einer Pflanze

Bild 12.54: Tautropfen auf einer Pflanze

In diesem Kapitel geht es um Luftfeuchtigkeit, wie Tau entsteht und wie du deinen Wärmehaushalt an heißen Tagen regulierst.

12.10.1 Verdunsten

Da die Geschwindigkeiten der Teilchen statistisch verteilt sind (12.12.6), 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 hält 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.

12.10.2 Dampfdruck

Wir geben Wasser in ein geschlossenes Gefäß (Bild 12.55) 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.

Dampfdruck in einem geschlossenen Gefäß

Bild 12.55: Dampfdruck in einem geschlossenen Gefäß

Nach einiger Zeit verdunsten pro Zeiteinheit gleich viele Moleküle, wie Moleküle wieder zurückkehren. Druck, Volumen und Temperatur ändern sich bei diesem dynamische 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 vorhanden Gas!

12.10.3 Maximale Luftfeuchtigkeit

Der Dampfdruck im Behälter 12.55 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.

Maximale Luftfeuchtigkeit

Bild 12.56: Maximale Luftfeuchtigkeit

Das Diagramm 12.56 zeigt dir für eine bestimmte Temperatur, wieviel Wasser (Gramm pro Kubikmeter) sich bei gesättigtem Dampf über der Flüssigkeit befinden (maximale Luftfeuchtigkeit).

12.10.4 Relative Luftfeuchtigkeit

Alle bisherigen Überlegungen sind von einem geschlossenem 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 12.57 siehst du den Zusammenhang von absoluter und relativer Luftfeuchtigkeit.

Absoluter und relativer Luftfeuchtigkeit

Bild 12.57: 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.

12.10.5 Verdunstungskälte

Beim Verdunsten (12.10.1) 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 bis die gesamte Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand übergegangen ist.

Du kannst diesen Vorgang an heißen Tage 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.

12.10.6 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 12.10.5). 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 (12.58) beschreibt die gefühlte Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit.

Hitzeindex Tabelle

Bild 12.58: Hitzeindex Tabelle

In der Sauna und im 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.

12.10.7 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 12.59). 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. \(9\;^\circ\mathrm{C}\)).

Erreichen des Taupunkts

Bild 12.59: Erreichen des Taupunkts

Sinkt die Temperatur weiter, ist der Sättigungsmenge überschritten und die überschüssige Feuchtigkeit kondensiert, die wir dann als Nebel oder Tau sehen können.