Was passiert physikalisch gesehen in den ersten Metern über der Wasseroberfläche einer dampfenden Badewanne?

Question

Grund meiner Frage:
Ich sehe die Badewanne dampfen. Je kälter das Badezimmer, desto mehr. Ich weiß, dass warmes Wasser verdunstet.

Aber der sichtbare Dampf besteht aus Wassertröpfchen, genau wie Nebel oder Wolken. Diese Phenomäne sind aber nicht das Ergebnis von Verdunstung, sondern vom Gegenteil: Kondensation!

Was passiert also über der Wasseroberfläche der Badewanne mit heißem Wasser? Verdunstet das Wasser und kondensiert dann durch die kalte Zustandsluft darüber gleich wieder, um dann schließlich erneut zu verdunsten?

Denn der Dampf löst sich ja in ein bis zwei Meter Höhe wieder auf, verdunstet also!?

Wer weiß, was für Prozesse tatsächlich nacheinander und/oder in Kombination über der Wasseroberfläche einer dampfenden Badewanne mit heißem Wasser ablaufen?

Und wie ist die Analogie zu einem Topf kochendem Wasser, der ja auch dampft, obwohl Wasser eigentlich verdunstet?

Beim Wort Dampf scheint es ja einige Verwirrungen zu geben...

Im Volksmund scheint mit "Dampf" so etwas wie Nebel gemeint zu sein, wobei das Wort "Dampf", bzw. "Wasserdampf" in der Physik das unsichtbare gasförmige Wasser meint (bitte korrigieren, falls ich mich täuschen sollte).

Antworter eins (eris_kurn) bestätigt meine Annahme, dass das Wasser erst verdunstet, um direkt danach, also wenige cm über der Wasseroberfläche wieder zu kondensieren. Allerdings schreibt eris_kurn, der Nebel würde dadurch unsichtbar, dass er sich weiter oben verdünnt. Hier war meine Annhame, dass der Nebel erneut verdunstet...

Was stimmt?

Answer 1

Hallo, wir haben es hier mit einem kombinierten Wärme- und Stoffüergangsproblem zu tun.

A Grundlegende Tatsachen

1. Luft hat abhängig von seiner Temperatur ein begrenztes Aufnahmevermögen für Wasser in Dampfform. Das Verhältnis der vorhandenen zu der maximal aufnehmbaren Wasserdampfmenge bezeichnet man als relative Luftfeuchtigkeit. Mit steigender Temperatur nimmt das Aufnahmevermögen exponentiell zu. Wird mehr dampfförmiges Wasser angeboten, kommt es zur Kondensation an Wänden oder an den in der Umgebnungsluft vorhandenen kleinen Partikeln.

2. Wasser hat einen temperaturabhängigen Dampfdruck. Auch er steigt exponentiell mit der Temperatur. Der Dampfdruck ist der Druck, der sich über einer Wasseroberfläche bei Abwesenheit anderer Gase einstellt, wenn flüssiges Wasser mit dampfförmigen Wasser im Temperaturgleichgewicht sind. Bei niedrigen Gesamtdrücken verhalten sich die Gase und damit auch der Wasserdampf so, als wären die anderen Gase nicht anwesend. Sie haben jedes für sich Teildrücke, deren Summe den Gesamtdruck ergeben. In unserem Fall ist das der äußere Luftdruck, den man am Barometer ablesen kann.

3. Wasser benötigt für den Übergang von der flüssigen in die dampfförmige Phase die Zufuhr der Verdampfungswärme.Das ist die Wärmemenge, die zur Verdunstung oder Verdampfung von
1 kg Wasser erforderlich ist. Sie ist ebenfalls temperaturabhängig. Sie sinkt mit steigender Tempereatur.

4. In unmittelbarer Nähe zur Wasseroberfläche, in einer sehr dünnen Grenzschicht, wird Wärme zwischen dem Wasser und der Luft übertragen, auf der Basis molekularer Leitung. Je nach den Temperaturen der Luft und dem Wasser strömt die Wärme entweder von der Luft zum Wasser oder umgekehrt. Dabei gilt, dass die Wärme bei einem Temperaturgefälle in Richtung der tieferen Temperatur strömt. Der Wärmestrom ist direkt proportional der Temperaturdifferenz.

5. Das Gleiche gilt für die Diffusion der Wasserdampfmoleküle durch die Luftmoleküle. Ein solcher Stofftransport stellt sich immer dann ein, wenn ein Teildruckgefälle vorhanden ist und er ist in Richtung des tieferen Teildruckes gerichtet.

6. Bezeichnen wir den Wärmestrom mit q, den Stoffstrom mit m,
die Temperatur der Luft und des Wassers mit Tl bzw. Tw, den Wasserdampfteildruck des Wassers in der Umgebungsluft mit pd und den Dampfdruck des Wassers an dessen Oberfläche, abhängig von der dort herrschenden Wassertemperatur mit ps. Der Index s erinnert daran, dass es sich um den Sättigungsdruck des Wassers entsprechend seiner Dampfdruckkurve ps = f(Tw) handelt.

B Konsequenzen aus den geschilderten Tatsachen

1. Wir haben folgende möglichen Situationen:

1.1 Tl grösser als Tw und pd grösser als ps
Es strömen Wärme und Stoff in die Grenzfläche hinein.

1.2 Tl grösser als Tw und pd kleiner als ps
Es strömt Wärme in die Grenzfläche hinein und Stoff
strömt in die Umgebungsluft.

1.3 Tl kleiner als Tw und pd grösser als ps
Es strömt Wärme vom Wasser in die Umgebungsluft und
Stoff von der Luft in Richtung Wasseroberfläche.

1.4 Tl kleiner als Tw und pd kleiner als ps
Es strömen sowohl Wärme als auch Stoff von der
Wasseroberfläche in die Umgebungsluft.

1.5 Die Sonderfälle für gleiche Temperaturen und/oder
Dampfdrücke in Wasser und Luft wollen wir hier nicht
betrachten, sind aber durchaus wichtig für die Erklärung
mancher Nebelerscheinungen in der Natur.

Ich möchte jetzt nur den von Dir beobachteten Badewannenfall mit Hilfe obiger physikalischer Grundtatsachen interpretieren. Alle anderen Vorgänge passieren in der Natur und erklären Phänomene wie Bodennebel, Hochnebel u.s.w.

C Erklärung der Badewannenbeobachtung

1. "Badewasser dampft und je kälter die Luft im Zimmer, umso mehr Nebel siehst Du."

Erklärung: Tw grösser als Tl, ps grösser als pd
Was passiert?
Infolge des positiven Dampfdruckgefälles (ps-pd)
strömt Wasserdampf in die Luft. Dieser
Wasserdampf muss durch Zufuhr der
Verdampfungswärme erzeugt werden. Da wegen der
kälteren Luft die Wärme nicht aus der Luft kommen
kann, kommt sie aus dem Wasser. Es bildet sich im
Wasser ein Temperaturgefälle vom Kern des
Wassers zur Oberfläche hin aus. Das Wasser kühlt
sich bei diesem Vorgang zusätzlich zu den
Wärmeverlusten an den Badewannenwänden ab.
Je kälter die Zimmerluft ist, umso kleiner ist die
Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasserdampf und
umso grösser ist das Dampfdruckgefälle und damit
der Stoffstrom, sprich die verdunstete Wassermenge.
Denn es gilt das Grundgesetz für alle molekulare
Leitvorgänge: Der Strom ist dem treibenden Gefälle
proportional.

2. "Aber der sichtbare Dampf besteht aus Wassertröpfchen, genau wie Nebel oder Wolken. Diese Phänomene sind aber nicht das Ergebnis von Verdunstung, sondern vom Gegenteil : Kondensation."

Erklärung: Wasserdampf ist ein unsichtbares Gas.
Wir sehen in der Tat nur Kondenströpfchen, die
mikroskopisch klein sind und deshalb Licht streuen.
Warum kommt es zur Kondensation nach der
Verdunstung? Es wird soviel Wasserdampf infolge
des hohen Dampfdruckgefälles erzeugt, dass die
kältere Luft das Wasser nicht in Dampfform
aufnehmen kann: Es kommt zur Kondensation.

3." Was passiert also über der ..........."

Erklärung: Die ersten Teile dieser Frage sind bereits beantwortet. Für den Rest der Frage kommt die Wärme- und Stoffübertragung infolge Konvektion ins Spiel. Durch grossräumige Luftbewegungen werden relativ kalte und damit absolut gesehen, trockene Luftmassen gemischt mit den warmen, mit Wasserdampf übersättigten Luftschichten an der Wasseroberfläche. Durch die Mischung kommt es im allgemeinen, abhängig von den tatsächlich vorhandenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten zu einer erneuten Verdunstung der Tröpfchen und der Nebel verschwindet. Für diesen Folgevorgang gelten die gleiche Überlegungen wie für die Grenzschicht.

4. Die Analogie zum kochenden Wasser im Kochtopf:

In diesem Falle ist ps gleich dem atmosphärischen Druck von
1 bar. Es herrscht also ein extrem hohes Dampfdruckgefälle (ps-pd). Der Verdunstungsvorgang geht in den Siedevorgang über. Die Luft über dem Kochtpf wird vollständig verdrängt. Eine Tatsache, die sich Hausfrauen beim Einkochen in Weckgläsern zu Nutze machen - luftfrei und damit keimfrei einwecken!

Ich hoffe, dass ich Dir diesen zugegebenermassen komplizierten Vorgang ohne Mathematik verständlich machen konnte.

Beachte: Wenn man aber Vorgänge dieser Art berechnen muss, bedarf es doch einiger Kenntnisse in Höherer Mathematik. Und das müssen alle Klimaingenieure.

Answer 2

Diese Frage hab ich mir letztens in der Aussensauna bei Minusgraden gestellt.
Gehen wir also logisch vor.
Wärme steigt nach oben! Und was ist über künstlich erzeugter Warmluft? Klar, natürliche kältere Luft.
Die durch Wärme aufsteigende Luftfeuchtigkeit kondensiert durch Kontakt mit darüberliegender Kaltluft. Es bildet sich Nebel, der nichts anders ist als auf einem auftreibendem Warmluftpolster schwebender Wasserdampf.
Das geschieht schon wenige Millimeter über dem Wasser.
In etwa einem Meter Höhe über dem Wasser gleicht sich die Temperatur durch die sich vermischenden Luftschichten aus. Der Nebel verschwindet.
Bis dahin ist der Auftrieb der Warmluft stärker als der Abtrieb der Kaltluft.
Und in genau dieser Zone findest du den Dampf des warmen Wassers über der Wanne auf Grund der Kondensation mit Kaltluft..
Und... je kälter das Bad, desto mehr aufsteigende Wärme kondensiert am Temperaturunterschied.

Answer 3

das Wasser verdunstet zunächst, kondensiert dann dank der niedrigeren Temperatur an in der Luft schwirrenden Teilchen ("Staub" --> Hautpartikel, Pollen, whatsoever) und wird dadurch sichtbar ("tröpfchen") - das ganze löst sich dann in etwas höherer Höhe auf - einfach aufgrund der Verteilung im Raum (deswegen bemerkt man in der Badewanne das Zeug im Rest des Raumes nicht)...

das Wasser heizt dabei den Raum auf (durch die Kondensation) - die Teilchen setzen sich dann entweder ab (beschlagene Spiegel & Scheiben hängen zumindest zum Teil damit zusammen - aber bei langen Badegängen ist auch manchmal sonstiges beschlagen, das kommt auch daher) oder verdunsten durch Energiezufuhr (Bewegung, ...) wieder. der Prozess ist dabei aber anders als z.B. bei Atem"rauch" im Winter, wo sich dann nur Wasserteilchen aneinander heften.

warum genau das alles abläuft und warum man ab bestimmter Luft"feuchtigkeit" den Dampf nicht mehr sieht.. keine Ahnung :D

Answer 4

Kalte Luft kann einfach weniger Wasserdampf festhalten-nur deswegen sieht man den kondensierten Dampf. Wenn man Fenster und Türen geschlossen hält und vielleicht sogar noch die Heizung aufdreht, wird man sehr viel weniger Dampf sehen. Effekt: Die warme Luft kann jetzt mehr Wasserdampf aufnehmen. Wenn man jetzt die Tür, oder ein Fenster öffnet, durch die relativ kältere Luft hereinströmen kann, kondensiert der Wasserdampf sofort aus und man steht im Nebel-solange zumindest, bis ein leichter Windzug (oder auch nur ein Ventilator) diese feuchtkalten Luftmassen weggeweht (bzw. abgesaugt) hat.

Answer 5

Bei Wasserdampf ist die Sättigung der Umgebungluft mit Wasser je nach Temperatur der Luft und des Wassers bei
ca. 4%. Sichtbar wird der Wasserdampf durch Lichtbrechung
innerhalb der in der Luft gelößten Wasserteichlchen. Bei der
Kondensation in der Luft verteilt sich der Wasseranteil und eine Lichtbrechung ist nicht mehr möglich. Das heißt der Wasserdampf wid unsichtbar.

Answer 6

erst ist das wasser mal kochend heiß und dampft , wassermoneküle bilden sich also dampf , der steigt hoch und verdunstet dann endgültig und an der decke in einem z.b. kleinen badezimmer wenn das wasser heiß genug ist und es genug dampf bildet sich an der decke und soagr umgebung z.b. an der wand wassertropfen vom dampf der hochsteigt und der dampf bildet wassertropfen die soagr von der wand wieder runterlaufen!!! analogie zum kochtopf mit wasser was kocht dann dampft hochsteigt und schließlich verdampft !! wünsche dir noch einen schönen abend . lg sonja bye