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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Verdunstungsvorgang 14 ___________________________________________________________________________ Beimengungen bestimmen im Wesentlichen die optischen Eigenschaften des Wassers. Relevant sind die Reflexion der eintreffenden Strahlung an der Wasseroberfläche, die Brechung beim Eintritt in den Wasserkörper, die innere Reflexion (Streuung) in diesem, die Transmission und Absorption. Kurzwellige Strahlung wird vergleichsweise stark an der Oberfläche reflektiert, der verbleibende Anteil kann aber tief in den Wasserkörper eindringen. Langwellige Strahlung wird hingegen kaum reflektiert, in den obersten Wasserschichten aber weitestgehend absorbiert. Die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser ist mit 0,0635 µS/cm bei einer normierten Temperatur von 25°C ausgesprochen gering, der reziproke Wert des Widerstandes somit groß. Mit fallender Temperatur und zunehmender Verunreinigung des Wassers, insbesondere mit dissoziierenden Substanzen, steigt die Leitfähigkeit. Obwohl theoretisch 32 Variationen der jeweils drei Isotope des Wasserstoffs und des Sauerstoffs denkbar sind, bestehen natürliche Wässer zu etwa 99,76 % aus 1 H2 16 O. Die verbleibenden 0,24 % werden vor allem aus sogenanntem schwerem Wasser, Deuterium- ( 2 H)hydroxid und Deuteriumoxid gebildet. Das instabile Tritium ( 3 H) entsteht in geringeren Mengen in der höheren Atmosphäre durch Einwirkung kosmischer Strahlung. Die heute in der Umwelt nachweisbaren Mengen stammen aber größtenteils aus Kernwaffenversuchen oder Kernreaktoren. Teilweise wird Tritium, das eine Halbwertzeit von 12,35 Jahren hat, in der Tracerhydrologie zu Markierungszwecken genutzt. Bei Phasenänderungen kommt es vor allem aufgrund der unter-schiedlichen Dampfdrücke und Schmelzpunkte der verschiedenen Molekülvarianten zur Iso-topentrennung, was zur aktuellen Messung der Verdunstung genutzt werden kann. Das Vermögen des Wassers, andere Stoffe zu lösen, ist aufgrund des starken Dipolmomentes der Moleküle besonders ausgeprägt und betrifft vor allem Stoffe, deren Molekülzusammenhalt sich teilweise oder vollständig über Ionenbindung realisiert. Diese Bindungen werden relativ leicht aufgebrochen, die Kationen lagern sich dann an die negativ geladene Sauerstoffseite, die Anionen an die positiv geladene Wasserstoffseite des Moleküls an. Nicht dissoziierende Substanzen gehen nur dann in Lösung, wenn ihre Moleküle über Wasserstoffbrücken gebunden werden. Gase können entsprechend ihrer Eigenschaften und ihres Partialdruckes in der überstehenden Luftschicht absorbiert werden. Die Löslichkeit ist dabei in starkem Maße temperaturabhängig und nimmt mit steigender Wassertemperatur ab. Wasser bildet mit anderen Stoffen mehrphasige Systeme. Emulsionen sind durch das Nebenein-ander zweier oder mehrerer, nicht mischbarer Flüssigkeiten gekennzeichnet. In den meisten natürlichen Emulsionen bildet Wasser dabei das Dispersionsmittel, die sogenannte äußere Phase, in der Öle oder Fette in feinen Tröpfchen dispergiert sind. Suspensionen sind als mehrphasige Systeme flüssig/fest definiert. Die Feststoffe liegen hier in Flocken meist geringer Größe vor.

Verdunstungsvorgang 15 ___________________________________________________________________________ 3 Der Verdunstungsvorgang Unter Verdunstung wird der Übergang eines Stoffes, hier von Wasser, aus der flüssigen in die gasförmige Phase verstanden. Es handelt sich damit um einen Verdampfungsvorgang. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff der Verdunstung meist für den Phasenübergang bei Temperaturen weit unterhalb des Siedepunktes genutzt. Die Verdunstung von Wasser wird durch eine bedeutend geringere Geschwindigkeit gekennzeichnet, die gegenüber der bei leichtflüchtigen Stoffen um ein bis zwei Zehnerpotenzen niedriger anzusetzen ist. Bei hoher Energiezufuhr stellt sich bei Erreichen eines bestimmten Temperaturniveaus, das sich in Abhängigkeit vom Luftdruck verändert, das Sieden als spezieller Verdampfungsvorgang ein. Die Wassermoleküle diffundieren dann nicht mehr primär durch die Oberfläche in die überstehende Luft, wie es bei der Verdunstung der Fall ist, es bilden sich vielmehr Dampfblasen im Inneren des Wasserkörpers, die dann abgasen. Man unterscheidet je nach dem Charakter der verdunstenden Oberfläche die Evaporation als Verdunstung unbewachsener Wasser-, Gesteins- und Bodenoberflächen, die Transpiration von Pflanzenorganen und die Interzeptionsverdunstung nasser oder benetzter Pflanzenoberflächen. Die gesamte Verdunstung heterogen zusammengesetzter Ausschnitte der Geosphäre oder einzelner Standorte, die sich als Summe dieser Teilprozesse ergibt, wird in der deutschsprachigen Literatur als Evapotranspiration bezeichnet. Sowohl bei der Evapotranspiration, als auch dem Prozess der Evaporation differenziert man darüber hinaus zwischen der realen, unter den gegebenen Umständen stattfindenden, und der potentiellen, ständig ausreichende Wasserversorgung voraussetzenden, Verdunstung. Im Prozess der Verdunstung von freien Wasserflächen erfolgt der Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase dann, wenn einzelne Moleküle aufgrund der Wärmebewegung der Teilchen genug kinetische Energie besitzen, um die Kohäsion der Flüssigkeit zu überwinden, sich aus der Wasseroberfläche zu lösen und als Dampf in die überlagernde Luft überzutreten. Gleichzeitig werden bereits in der Luft befindliche Wasserdampfmoleküle durch Kollision mit anderen Molekülen abgebremst und gehen wieder in die flüssige Phase über. Damit ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Kondensation, dessen Lage vom Sättigungsdefizit der Luft abhängig ist. Dieses Gleichgewicht ist in Richtung Verdunstung verschoben, wenn die dem Wasserkörper auflagernden Luftschichten stark wasserdampfuntersättigt sind. Bei Erreichen der Sättigung werden Verdunstung und Kondensation gleich groß. Obwohl immer beide Prozesse ablaufen, ist lediglich der Netto - Übergang von Wasser aus der flüssigen in die gasförmige Phase als Verdunstung erfassbar. Bei Wasserdampfübersättigung, z. B. durch Abkühlung gesättigter Luft, überwiegt die Kondensation. Die Saugkraft der Luft (SL) als wasserabsorbierendes Medium berechnet sich dem VAN'T HOFF'schen Gesetz entsprechend:

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