einführung in die physische geographie
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Einführung in die Physische Geographie. Teil Klima und Wasser. 4. Wasser als Stoff. Prof. Dr. Otto Klemm. Wasser als Stoff. Wasser spielt in Ökosystemen jeglicher Art eine extrem wichtige Rolle, weil: flüssiges Wasser eine vitale Voraussetzung für das Leben darstellt - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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