einführung in die physische geographie

Einführung in die Physische Geographie

Prof. Dr. Otto Klemm

Teil Klima und Wasser

4. Wasser als Stoff

Wasser als Stoff

Wasser spielt in Ökosystemen jeglicher Art eine extrem

wichtige Rolle, weil:

• flüssiges Wasser eine vitale Voraussetzung für das Leben

darstellt

• mit Wasser viele andere Stoffe (Nährstoffe, Schadstoffe, …)

transportiert werden

• Wasserdampf ein bedeutendes natürliches Treibhausgas ist

• Phasenübergänge des H2O große Mengen an Energie

umsetzen

Wasser als Stoff

105 °

H2O

Quelle:Dingman, 1994

Wasser kommt auf der Erde in allen Phasen vor: fest, flüssig, gasförmig

Wasser als Stoff

Quelle:Dingman, 1994

flüssiges Wasser (Wasserstoffbrückenbindung)

festes Wasser (Wasserstoffbrückenbindung)

Qu

elle

: S

tra

hle

r &

Str

ah

ler,

19

97

Zustandsdiagramm des Wassers

Bildquelle: Barrow, Physikalische Chemie, 1984 (bzw. fast jedes andere Lehrbuch der Physikaischen Chemie möglich)

Quelle

:Din

gm

an, 1

99

4

Wasserdampf

flüssigesWasser

Eis

Zustandsdiagramm des Wassers

Zustandsdiagramm des H2O (Phasendiagramm),

in dem für die Meteorologie besonders interessanten Bereich

Zustandsdiagramm des Wassers

-20 -10 0 10 20 300

10

20

30

40

50

60

Wa

sse

rda

mp

fdru

ck /

hP

a

Temperatur / °C

gas

flüssig

fest

Wasser als Stoff

Quelle:Dingman, 1994

flüssiges Wasser

Luft

einige Wassermoleküle sind in der Luft im Gleichgewicht vorhanden

es herrscht ein Gleichgewichts-Wasserdampfdruck über der ebenen Wasserfläche

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers

gas

flüssig

fest

-20 -10 0 10 20 300

10

20

30

40

50

60

Wa

sse

rda

mp

fdru

ck /

hP

a

Temperatur / °C

-20 -15 -10 -5 0 5 100

5

10

Wa

sse

rda

mp

fdru

ck /

hP

a

Temperatur / °C

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers

gas

flüssig

fest

flüssig m

öglich

(Abweichung vom Gleichgewicht)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

Was

serd

ampd

ruck

/ h

Pa

Temperatur / °C

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers

diese Kurve wird beschrieben durch die Formel nach Clausius Clapeyron:

2w

*

*

T

dT

R

L

e

de

bzw. näherungsweise durch die Magnus-Formel:

e*: Sättigungs-Wasserdampfdruck; L: VerdampfungswärmeT: Temperatur in K; t: Temperatur in °C

tC

tCexp(t)e

3

21

* C

Phase t (°C) C1 / hPa C2 C3 / °C

Eis < 0 6.11 22.44 272.44

Wasser < 0 6.11 17.84 245.43

Wasser > 0 6.11 17.08 234.18

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

40

ab

solu

te F

euch

te /

g m

-3

Temperatur / °C

Wasserdampf in der Luft

Sättigungskurven für den Wasserdampfgehalt in Luft über flüssigem Wasser

(Gleichgewichts-Kurve). Die Linie entspricht einer relativen Luftfeuchte von 100 %.

4.85

9.4

17.3

30.4

Wasserdampf in der Luft

die relative Luftfeuchte rF ist das Verhältnis

aktueller Feuchtgehalt / maximal möglicher Fuchtegehalt

bzw. Wasserdampfdruck / Sättigungsdampfdruck

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

40

ab

solu

te F

euch

te /

g m

-3

Temperatur / °C

87 %50 %

100 %

87 %

Dichte des flüssigen Wassers

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100930

940

950

960

970

980

990

1000

Dic

hte

/ g d

m-3

Temperatur / °C

die Dichte des Wassers bei 0 °C beträgt fast 1 kg dm-3

Berechnung nach Paul 1985: http://www.tu-dresden.de/fghhihb/petzoldt/dichte_de.html

Dichte des flüssigen Wassers

durch die Dichteanomalie des Wassers ist die Dichte bei 4 °C am größten

Eis (ohne Lufteinschluss) hat bei 0 °C eine Dichte von 916.8 g dm-3

Berechnung nach Paul 1985: http://www.tu-dresden.de/fghhihb/petzoldt/dichte_de.html

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11999.5

999.6

999.7

999.8

999.9

1000.0

1000.1

Dic

hte

/ g

dm

-3

Temperatur / °C

physikalische Eigenschaft, flüssiges Wasser

Größe Kürzel

Wert Einheit Bemerkung

Dichte 1 g cm-3 beachte Dichteanomalie!

spezifische

Wärmekapazität

cp 4216 J kg-1 K-

1

Verdampfungs-wärme

L 2,495 106

J kg-1 2.5001 bei 0 °C

2.26 bei 100 °C

Schmelzwärme

3,3 105 J kg-1

Oberflächen-spannung

0,076 N m-1 = J m-2

bei 0 °C

physikalische Eigenschaften des Wassers

Bemerkungen

Wasser ist der Stoff mit der größten spezifischen Wärmeenergie überhaupt

man benötigt mehr als die 5-fache Energie, um Wasser zu verdampfen als es von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen.

man benötigt mehr als die 6-fache Energie, um Wasser zu verdampfen als es zu schmelzen

auch Sublimation (direkter Übergang aus der Festphase in die Gasphase und umgekehrt) ist möglich

Eigenschaften des Wassers

flüssiges Wasser ist ein Lösungmittel

für ein Salz AmBn ist das Löslichkeitsprodukt Ks gegeben als:

OHHOH 2

14

2

10][

][][2

OH

OHHK OHH

Säure- / Base – Eigenschaften

Wasser dissoziiert in H+ und OH-, ist also eine Säure und Base zugleich.

nmS BAK ][][

eckige Klammern geben Konzentrationen an (der Unterschied zwischen Konzentrationen und Aktivitäten wird

hier vernachlässigt). m und n sind die Ladungszahlen der Ionen. Über einer festen Phase des Salzes stellt sich in Lösungen Konzentationen von A und B ein, die die Bedingung des Löslichkeitsprodukts darstellen. Ks ist abhängig von T.

Eigenschaften des Wassers

Gase lösen sich physikalisch in Wasser

die Gaslöslichkeit wird mit der Henry – Konstante KH

1161026.12 hPalmolK OH

KHX ist die Henry – Konstante für das Gas X,

Einheit typischerweise mol l-1 hPa-1

p ist der Partialdruck des Gases in der Luft (über der wässrigen Phase)

Einheit: hPa

die Löslichkeit eines Gases in Wasser nimmt mit sinkender Temperatur zu

Beispiel: die Löslichkeit des Sauerstoff in Wasser bei 25 °C entspricht:

p

XKH

][

116*32 1034

2

2 hPalmolp

COHK

CO

COH