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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Relevante Eigenschaften

Relevante Eigenschaften des Wassers 12 ___________________________________________________________________________ ratur und Druck unterhalb des sogenannten Tripelpunktes liegen. Dieser kennzeichnet in Einstoffsystemen die Bedingungen, an denen die drei Phasen fest, flüssig und gasförmig dauerhaft nebeneinander bestehen können. Der Tripelpunkt des Wassers wurde zu etwa 0,01°C bei 611 hPa bestimmt und bildete ursprünglich einen der Fixpunkte (273,15 K) der Kelvin-Temperaturskala. In der Technik macht man sich den Sublimationsvorgang unter anderem bei der Gefriertrocknung, die eine Vakuumsublimation darstellt, zunutze. Die Phasenübergänge des Wassers sind mit beträchtlichen Energieumsätzen verbunden (Abb. 2-2). Abb. 2-2: Phasenübergänge des Wassers und mit diesen verbundene Energieumsätze (J) Aus dem Dipolmoment der Moleküle, dem teilweise bestehenden Ionencharakter und der Agglomeration zu Clustern resultieren die bekannten Besonderheiten des Wassers: Reines Wasser hat sein Dichtemaximum bei ca. 4°C (3,98°C). Bei weiterer Abkühlung wird die Abnahme der Teilchenbewegung durch die verstärkte Wasserstoffbindung und Agglomeration der Moleküle überkompensiert. Es kommt zu einer, wenn auch geringfügigen, Ausdehnung bis zur Erstarrung. Beim Gefrieren wird ein tridymitartiges Kristallgitter aufgebaut. Dies geht mit einer sprunghaften Volumenzunahme um ca. 9 % einher. Die dabei entstehende Sprengwirkung ist beträchtlich und verursacht bei Vorhandensein von Wasser in Gesteinspalten eine intensive Gefügelockerung und Verwitterung. Stehende Gewässer frieren aufgrund der geringeren Dichte und der daraus resultierenden Schwimmfähigkeit des Eises von der Oberfläche in Richtung Boden zu. Dies geschieht allerdings erst, nachdem der gesamte Wasserkörper auf 3,98°C abgekühlt ist und sich dann eine kältere, leichtere oberflächliche Wasserlamelle gebildet hat. Im

Relevante Eigenschaften des Wassers 13 ___________________________________________________________________________ Zusammenwirken mit der verhältnismäßig geringen Wärmeleitfähigkeit des Eises werden die Überlebenschancen aquatischer Organismen durch das von der Oberfläche ausgehende Gefrieren deutlich erhöht. Auch der charakteristische saisonale Wechsel der Schichtungsverhältnisse hinreichend tiefer stehender Gewässer der gemäßigten Breiten wird entscheidend durch die Dichteanomalie des Wassers geprägt. Die hohen Schmelz- und Verdampfungswärmen bedingen hohe Energieumsätze bei den Phasenänderungen. Dies hat ausgleichende Wirkungen auf die klimatischen Verhältnisse und ermöglicht insbesondere in der gasförmigen Phase einen bedeutenden Transport latent enthaltener Energie. Der Sättigungsdampfdruck der Luft kennzeichnet die Druckverhältnisse, bei denen die gasförmige Phase des Wassers mit der flüssigen oder festen Phase der verdunstenden bzw. sublimierenden Unterlage im Gleichgewicht steht. Es besteht eine direkte Abhängigkeit des Sättigungsdampfdruckes von der Temperatur. Im Siedepunkt sind der atmosphärische und Sättigungsdampfdruck gleich groß. Erhöhte Salzgehalte im verdunstenden Wasserkörper führen zu einer Verringerung des Sättigungsdampfdruckes in der auflagernden Luftschicht, der auch über Eisflächen herabgesetzt ist. Über Salzwasser und Eisflächen erfolgt der Phasenübergang daher mit geringerer Intensität. Die Wärmekapazität des Wassers ist mit 4,18 J * g -1 * K -1 (= 1 cal * g -1 * K -1 ) bei 20°C sehr hoch und wird bei Flüssigkeiten nur noch von Ammoniak übertroffen. Schwankungen der Temperatur werden dadurch wirksam gepuffert, das Klima klein- und auch großräumig durch Oberflächengewässer ausgeglichen. Mit den Meeresströmungen werden große Wärmemengen transportiert. Die Intensität der Wasserstoffbrückenbindung ist auch die Ursache für die außergewöhnlich starke Kohäsion und Adhäsion des Wassers in seiner flüssigen Phase. Die Kohäsion äußert sich in der hohen Oberflächenspannung, die in großem Maße temperatur- und salzgehaltsabhängig ist. Das Aufsteigen des Wassers in engen Röhren, die sogenannte Kapillarität, ist aufgrund der starken Adhäsion sehr ausgeprägt und von enormer Bedeutung für den Wassertransport im Boden und in Sprosspflanzen. Die Wasserstoffbindung verursacht bei Bewegung eine Mitnahme von Nachbarmolekülen und somit eine größere innere Reibung. Die resultierende Viskosität beträgt bei 20°C etwa 1 mPa*s. Die Kompressibilität des Wassers bei Druckerhöhung ist verschwindend gering. Bei Druckveränderung um ein Hektopascal verringert oder vergrößert sich das Volumen um ein Milliardstel gegenüber dem Ausgangszustand. In der Druckabhängigkeit des Schmelz- bzw. Erstarrungspunktes zeigt das Wasser eine weitere Anomalie. Während bei anderen Flüssigkeiten der Schmelzpunkt in der Regel mit dem Druck zunimmt, erstarrt Wasser, das unter einem Druck von 2 kbar steht, erst bei -22°C. Der Eispunkt erreicht bei 6,2 kbar wieder die 0°C, um dann mit wachsendem Druck weiter anzusteigen. Die Schallgeschwindigkeit in reinem Wasser beträgt bei 25°C etwa 1500 m/s. Sie wächst mit steigender Temperatur und fällt mit dem Salzgehalt.

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