Kondensation

Als physikalische Kondensation bezeichnet man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Die gegenteiligen Phasenübergänge sind das Verdunsten und das Sieden. Als Produkt entsteht das Kondensat. Dieser Prozess erfolgt unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen, die man als Kondensationspunkt bezeichnet. Während des Übergangs bleibt die Temperatur konstant, sämtliche entzogene Wärme wird in Form der Kondensationswärme in die Zustandsänderung investiert. Das Gegenteil der Kondensation ist das Verdampfen oder die Verdunstung.

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Thermodynamische Grundlagen

Kondensationsprozesse gehorchen zwar dem gleichen Grundprinzip, es lassen sich aber dennoch zwei grundlegende Typen unterscheiden. Bedingung ist in jedem Fall, dass die Gasphase bezüglich des jeweiligen Gases übersättigt ist. Die Basis der darauf aufbauenden Differenzierung wird nun durch den jeweiligen Nukleationsprozess bestimmt, also die Art und Weise wie sich die Flüssigkeitspartikel aus der Gasphase heraus bilden. Erfolgt diese frei, also durch ein statisches Zusammentreffen von Gasteilchen, spricht man von einer homogenen Kondensation. Da es hierzu notwendig ist, dass sich ausreichend langsame Teilchen ohne weitere Hilfe zu größeren Strukturen zusammenfinden, ist dieser Prozess nur mit einer extremen Übersättigung von in der Regel mehreren hundert Prozent möglich. Im Gegensatz dazu benötigt man bei der heterogenen Kondensation nur sehr geringe Übersättigungen von oft sogar unter einem Prozent. Diese Form der Kondensation erfolgt an bereits existierenden Oberflächen, also im Regelfall an in der Gasphase schwebenden festen Partikeln, den Kondensationskernen bzw. Aerosolteilchen. Diese fungieren in Bezug auf das jeweilige Gas als eine Art Teilchenfänger, wobei im Wesentlichen der Radius und die chemischen Eigenschaften des Partikels bestimmen, wie gut die Gasteilchen an ihm haften bleiben. Analog gilt dies auch für Oberflächen nicht partikulärer Körper, wobei man dann von einem Beschlag spricht.

Der Kondensationsprozess ist wie dargelegt also von der Wechselwirkung zwischen Gas und Partikeln bestimmt und kann daher auch nur über mikrophysikalische Methoden beschrieben werden. Dies bedingt jedoch auch eine hohe Bandbreite an Parametern, die sich nie alle vollständig messtechnisch erfassen lassen und folglich auch einer exakten Berechnung von Kondensationsprozessen zuwider laufen. Dies kann in vielen Fällen zu einem unerwarteten Systemverhalten führen und muss daher bei sensiblen Anwendungen mit berücksichtigt werden.

Kondensationsprozesse der Atmosphäre

  Der Kondensation kommt im Falle des Wassers der Erdatmosphäre zusammen mit der Verdunstung eine gesonderte Bedeutung zu, da der Phasenübergang zwischen Wasserdampf und flüssigem Wasser ein grundlegender Prozess des natürlichen Wasserkreislaufs sowie des Wetters überhaupt ist. Auf makrophysikalischer Ebene sind hier allein schon die Umsatzmengen enorm, da das atmosphärische Wasser mit rund 13·10¹⁵ kg eine mittlere Verweildauer von nur rund 10 Tagen besitzt, also auch innerhalb dieses Zeitraums im Wesentlichen über die Kondensation umgesetzt wird. Dabei ist die Kondensation der Grundprozess jeder Bildung von flüssigem Niederschlag aus Wasserdampf sowie der Nebel- und Wolkenbildung. Über die latente Wärme wird dabei auch der Wärmehaushalt der Erde entscheidend mitgeprägt.

Auf mikrophysikalischer Ebene sind die Kondensationsprozesse jedoch wie gezeigt sehr komplex und entziehen sich der exakten Vorhersagbarkeit. Dabei kommt es in der Atmosphäre praktisch ausschließlich zur heterogenen Nukleation, also in diesem Fall der Bildung von Wassertröpfchen aus der Luft heraus. Die hierfür notwendige Übersättigung der Luft muss nach den jeweils herrschenden Bedingungen unterschiedlich stark sein, um eine Kondensation hervorzurufen. Sie kann einerseits durch eine Erhöhung der absoluten Luftfeuchtigkeit im Zuge der Verdunstung bzw. Sublimation und andererseits durch eine Reduktion der Lufttemperatur erreicht werden. Dabei dominiert die Abkühlung, speziell die adiabatische, also eine Verminderung der maximalen Feuchte, die die Luft imstande ist aufzunehmen. Ist der Durchmesser der Aerosolteilchen über grob 1 μm groß, so reichen schon oft Übersättigungen von wenigen Zehntel Prozent aus. Weiterhin ist es bedeutend, ob die Oberfläche der Partikel hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften aufweist, die die Anlagerung von Wasserdampfteilchen erleichtern bzw. erschweren. Ebenso bedeutsam ist selbstverständlich die Konzentration der Aerosolteilchen in der Gasphase.

Die meteorologische und klimatologische Aerosolforschung muss also eine ganze Palette von Einflussfaktoren berücksichten, wobei zusätzlich zu den schon betrachteten noch andere Faktoren wie das räumliche und zeitliche Auftreten der Aerosolpartikel hinzu kommen. All diese Faktoren müssen dabei miteinander in Bezug gesetzt werden, um zu einem richtigen Verständnis von Prozessen der Niederschlags- und Wolkenbildung zu kommen, die wiederum Einfluss auf den Wasser- und Strahlungshaushalt haben. Dies ist zwar auf qualitativer Ebene recht gut möglich, der quantitative Einfluss dieser Parameter vor allem auf globaler Ebene ist jedoch schwer zu ermitteln und bildet einen Unsicherheitsfaktor in allen Klimamodellen.

Großtechnische Anwendung

Dampfkraftwerk

Innerhalb von Dampfkraftwerken ist die Kondensation des Abdampfes aus der Dampfturbine am Kondensator ein wesentlicher Verfahrensabschnitt. Mit der Verflüssigung des Wasserdampfes wird zum einen Speisewasser für den Dampferzeuger bereitgestellt sowie der thermodynamisch notwendige Schritt des Entzugs der Abwärme aus dem Wasserdampf vollzogen.

Chemieanlagen

Bei großen Chemieparks ist die Kondensation von Wasserdampf eine wirtschaftliche bedeutende Größe, da die Energieversorgung für chemische Prozesse in einzelnen Betrieben mit Wasserdampf erfolgt. Nach Abgabe der thermischen Energie liegt kondensiertes Wasser vor, das über Ringleitungen gesammelt wird. Dieses im Normalfall „reine“ Wasser wird nach Qualitätskontrollen und eventueller Aufbereitung wieder dem Dampferzeuger als sogenanntes Speisewasser zur Erzeugung von Dampf zugeführt. Durch eine solche Kondensatrückführung lassen sich je nach Größe des Chemieparks Einsparungen in Millionen Euro Höhe erzielen.

Siehe auch

• Taupunkt

Literatur

• F. Frössel: Schimmelpilze in Wohnungen. Baulino Verlag, Waldshut-Tiengen 2006, ISBN 3938537183