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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Verdunstungsvorgang 16 ___________________________________________________________________________ (3-1) SL = ρ * R * T * ln(E e -1 ) µ -1 mit: SL ... Saugkraft der Luft, Saugspannung (Pa, hPa), ρ ... Dichte des reinen Wassers (g cm -3 , kg m -3 ), R ... allgemeine Gaskonstante (8,13 Ws mol -1 K -1 ), T ... absolute Temperatur (K), E ... Sättigungsdampfdruck (Pa, hPa), e ... aktueller Dampfdruck (Pa, hPa) und µ ... Molgewicht des Wassers (18 g mol -1 ). Es treten die Wassermoleküle mit der größten kinetischen Energie in die Atmosphäre über. Deren Zahl nimmt mit steigender Temperatur zu. Durch den Verlust der energiereichsten Teilchen und die Arbeit, die gegen die Oberflächenspannung zu verrichten ist, geht dem Wasserkörper Energie verloren, seine Temperatur sinkt. Die Verdampfungswärme (rV) beträgt ca. 2453 Joule pro Gramm Wasser, unter der Voraussetzung, dass dieses eine Temperatur von 20°C aufweist (siehe auch Gleichung 4.4-9). Der Phasenübergang verläuft beim Wasser mit einer relativ geringen Geschwindigkeit, seine Verdunstungszahl beträgt 80. Im Vergleich zu Diethylethanol, der vereinbarten Referenz- bzw. Standardflüssigkeit, verdunstet reines Wasser bei einer Temperatur von 293 ± 2 K (ca. 20 °C) also etwa 80mal langsamer. Ethanol weist mit einer Verdunstungszahl von 8,3 eine etwa zehnfach höhere Geschwindigkeit des Phasenüberganges auf. "Die Wassermenge, die von der Fläche einer Wasseroberfläche in einer bestimmten Zeit verdunstet, ist bei ruhender Luft abhängig von der Temperatur der Wasseroberfläche, vom Grade der Sättigung der Luft über dem Wasserspiegel mit Wasserdampf und von der Geschwindigkeit mit welcher die Diffusion von Wasserdampf in der Luft erfolgt" (BINDEMANN 1921, S. 30). Die auf der Wärmebewegung der Teilchen beruhende molekulare Diffusion geht sehr langsam vor sich. Erfolgt der Austausch der wasseroberflächennahen Luftschichten dagegen turbulent und/ oder konvektiv wird ständig weitgehend wasserdampfgesättigte Luft weg- und untersättigte Luft herangeführt. Die Geschwindigkeit der Verdunstung wächst überproportional. Der Verdunstungsvorgang wird daher in seiner Effektivität in starkem Maße von der Aufrechterhaltung des Konzentrationsgefälles zwischen der Wasseroberfläche und der auflagernden Luft bestimmt. Luftdruck, Oberflächenspannung des Wasserkörpers und sein Salzgehalt haben jeweils einen großen Einfluss. Den Prozessen des atmosphärischen Wasserdampftransportes kommt eine herausragende Bedeutung zu. Oberhalb der verdunstenden Oberfläche besteht eine, meist nur wenige Millimeter bis Zentimeter dicke laminare Grenzschicht. Diese bildet sich aufgrund der molekularen

Verdunstungsvorgang 17 ___________________________________________________________________________ Viskosität, bei stärker strukturierten Oberflächen aber auch aufgrund des Staudruckes der Luftströmung an Hindernissen (ROEDEL 1994). In der laminaren Grenzschicht wird Wasserdampf ausschließlich durch molekulare Diffusion transportiert. Lediglich am oberen Rand der Grenzschicht, deren Ausprägung vom aktuellen Zustand der Luftströmung abhängig ist, greifen Turbulenzen in den molekular-viskosen Bereich ein. Die molekulare Diffusion basiert auf der Wärmebewegung der Teilchen, ist also temperaturabhängig. Die ungeordnete Bewegung der Atome und Moleküle, ihre Zusammenstöße und die sich daraus ergebene Streuung führen zu einer Homogenisierung des Gasgemisches. Beimengungen werden verteilt und so in Richtung des Konzentrationsgefälles verfrachtet. Der Prozess wird mit den Diffusionsgesetzen von FICK beschrieben. Die vertikale Ausdehnung der laminaren Grenzschicht ist als Funktion der Luftviskosität, der Windgeschwindigkeit und der Anströmlänge eines betrachteten Flächenausschnittes zu berechnen. Oberhalb der laminaren Grenzschicht dominieren wesentlich leistungsfähigere Prozesse des Luftaustausches und der mit diesen verbundenen Transporten von Beimengungen. Turbulenzen entstehen in der horizontalen Luftströmung durch innere Reibung, die Reibung am Boden und die Böigkeit des Windes sowie angestoßen durch thermische Konvektion. Die vertikale Komponente der turbulenten Luftbewegung führt, ähnlich wie die molekulare Diffusion, aber wesentlich stärker, zur Durchmischung der Luft und damit unter anderem zum gerichteten Transport von Wasserdampf (vgl. 4.5). Der Prozess wird daher auch als turbulente Diffusion bezeichnet. BAUMGARTNER (1996) gibt die Größenordnungen des molekularen Diffusionskoeffizienten mit ca. 10 - 20 mm 2 s -1 und des turbulenten Diffusionskoeffizienten mit etwa 200.000 mm 2 s -1 , bei starker Variabilität, an. Die Prozesse des atmosphärischen Wasserdampftransportes werden von ihm mit folgenden Gleichungen beschrieben: Der vertikale Gradient des Dampfdruckes (grad e) zwischen der gesättigten laminaren Grenzschicht und den überlagernden ungesättigten Luftschichten entspricht: (3-2) grad e = (E0 - eL) / dz mit: E0 ... Sättigungsdampfdruck bei gegebener Lufttemperatur, eL ... aktueller Dampfdruck in der überstehenden Luft und z ... Höhe. Dampfdruck (e in hPa) und spezifische Feuchte (q in g kg -1 ) stehen in einem festen Verhältnis: (3-3) q = 0,623 e / p mit: p ... Luftdruck (hPa).

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