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Wasser_(Stoffdaten)

Wasser (Stoffdaten)

Hauptartikel: Wasser.

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Inhaltsverzeichnis

1 Kerndaten
2 Drucktabellen
- 2.1 Standardbedingungen
- 2.2 Tripelpunkt
3 Sättigungsdampfdruck
4 Permittivität
5 Literatur

Kerndaten

Dichte	0,999975 kg/dm³ (3,98 °C)
Molmasse	18,01528 g/mol
Schmelzpunkt	0 °C (bei 1013,25 hPa)
Siedepunkt	100 °C (bei 1013,25 hPa)
Tripelpunkt	0,01 °C / 611,66 Pa
kritischer Punkt	374,15 °C / 22,12 MPa
Sättigungsdampfdruck	23,3854 hPa (20 °C)
spezifische Wärmekapazität	4183 J/(kg·K) (20 °C, 0,1 MPa)
Wärmeleitfähigkeit	0,5984 W/mK (20 °C, 0,1 MPa)
Verdampfungswärme	2257 kJ/kg bzw. 40,8 kJ/mol (bei 100°C)
Schmelzwärme	332,5 kJ/kg
Brechzahl	1,33251 (25 °C, sichtbares Licht) / 1,310 (Eis)
Viskosität	1,001 mPa s (20 °C, 0,1 MPa)
Permittivität	80,35 (20 °C und 0 Hz)
Δ_fH⁰_g	-241,83 kJ/mol
Δ_fH⁰_l	-285,83 kJ/mol
Δ_fH⁰_s	-291,8 kJ/mol
S⁰_{g, 1 bar}	188,84 J/(mol · K)
S⁰_{l, 1 bar}	69,95 J/(mol · K)
S⁰_s	41 J/(mol · K)

Drucktabellen

Die in der folgenden Tabelle dargestellten Größen sind temperatur- und teilweise auch druckabhängig, richten sich aber in jedem Fall nach dem Aggregatzustand des Wassers (hier s = fest; l = flüssig; g = gasförmig). Dieser wird durch Druck und Temperatur eindeutig bestimmt. Alle Daten wurden Grigull et. al. (1990) entnommen, welche sie nach der Vorgabe durch die "Formulation of the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for Scientific and General Use" (1984) der IAPWS mit einer verringerten Iterationsschranke berechneten. Es handelt sich um:

$\vartheta$ - die Celsius-Temperatur in Grad Celsius
v – das spezifische Volumen in Kubikdezimeter je Kilogramm (Kehrwert der Dichte)
h – die spezifische Enthalpie in Kilojoule je Kilogramm
u – die spezifische Innere Energie in Kilojoule je Kilogramm
s – die spezifische Entropie in Kilojoule je Kilogramm mal Kelvin
c_p - die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck in Kilojoule je Kilogramm mal Kelvin
γ – Volumenausdehnungskoeffizient in 10^-3 durch Kelvin
λ – Wärmeleitfähigkeit in Milliwatt je Meter mal Kelvin
η – Viskosität in Mikropascal mal Sekunde
σ – Oberflächenspannung in Millinewton je Meter

Standardbedingungen

In der folgenden Tabelle handelt es sich um die Stoffdaten bei Standarddruck (SATP), also 0,1 Megapascal (entspricht einem Bar). Bis zu einer Temperatur von 99,63 °C, dem Siedepunkt des Wassers bei diesem Druck, liegt das Wasser als Flüssigkeit vor, darüber als Wasserdampf.

$\vartheta$ °C		v dm³/kg	h kJ/kg	u kJ/kg	s kJ/(kg·K)	c_p kJ/(kg·K)	γ 10^-3/K	λ mW / (m·K)	η μPa·s	σ^{1^mN/m}
0		1,0002	0,06	-0,04	-0,0001	4,228	-0,080	561,0	1792	75,65
5		1,0000	21,1	21,0	0,076	4,200	0,011	570,6	1518	74,95
10		1,0003	42,1	42,0	0,151	4,188	0,087	580,0	1306	74,22
15		1,0009	63,0	62,9	0,224	4,184	0,152	589,4	1137	73,49
20		1,0018	83,9	83,8	0,296	4,183	0,209	598,4	1001	72,74
25		1,0029	104,8	104,7	0,367	4,183	0,259	607,2	890,4	71,98
30		1,0044	125,8	125,7	0,437	4,183	0,305	615,5	797,7	71,20
35		1,0060	146,7	146,6	0,505	4,183	0,347	623,3	719,6	70,41
40		1,0079	167,6	167,5	0,572	4,182	0,386	630,6	653,3	69,60
45		1,0099	188,5	188,4	0,638	4,182	0,423	637,3	596,3	68,78
50		1,0121	209,4	209,3	0,704	4,181	0,457	643,6	547,1	67,95
60		1,0171	251,2	251,1	0,831	4,183	0,522	654,4	466,6	66,24
70		1,0227	293,1	293,0	0,955	4,187	0,583	663,1	404,1	64,49
80		1,0290	335,0	334,9	1,075	4,194	0,640	670,0	354,5	62,68
90		1,0359	377,0	376,9	1,193	4,204	0,696	675,3	314,6	60,82
99,63	l	1,0431	417,5	417,4	1,303	4,217	0,748	679,0	283,0	58,99
99,63	g	1694,3	2675	2505	7,359	2,043	2,885	25,05	12,26	–
100		1696,1	2675	2506	7,361	2,042	2,881	25,08	12,27	58,92
200		2172,3	2874	2657	7,833	1,975	2,100	33,28	16,18	37,68
300		2638,8	3073	2810	8,215	2,013	1,761	43,42	20,29	14,37
500		3565,5	3488	3131	8,834	2,135	1,297	66,970	28,57	–
750		4721,0	4043	3571	9,455	2,308	0,978	100,30	38,48	–
1000		5875,5	4642	4054	9,978	2,478	0,786	136,3	47,66	–
^{1^{Die Werte der Oberflächenspannung gelten nicht für den Normaldruck, sondern für den zur jeweiligen Temperatur gehörigen Sättigungsdampfdruck.}}

Tripelpunkt

In der folgenden Tabelle handelt es sich um die Stoffdaten bei einem Druck von 0,0006117 Megapascal (entspricht 0,006117 bar). Bis zu einer Temperatur von 0,01 °C, dem Tripelpunkt des Wassers, liegt das Wasser normalerweise als Eis vor, wurde jedoch hier für unterkühltes Wasser tabelliert. Am Tripelpunkt selbst kann es sowohl als Eis als auch Flüssigkeit oder Wasserdampf vorliegen, bei höheren Temperaturen handelt es sich jedoch wiederum um Wasserdampf.

$\vartheta$ °C		v dm³/kg	h kJ/kg	u kJ/kg	s kJ/(kg·K)	c_p kJ/(kg·K)	γ 10^-3/K	λ mW / (m·K)	η μPa·s	σ^{1^mN/m}
0		1,0002	-0,04	-0,04	-0,0002	4,339	-0,081	561,0	1792	–
0,1	s	1,0908	-333,4	-333,4	-1,221	1,93	0,1	2,2	–	–
	l	1,0002	0,0	0	0	4,229	-0,080	561,0	1791	–
	g	205986	2500	2374	9,154	1,868	3,672	17,07	9,22	–
5		209913	2509	2381	9,188	1,867	3,605	17,33	9,34	–
10		213695	2519	2388	9,222	1,867	3,540	17,60	9,46	–
15		217477	2528	2395	9,254	1,868	3,478	17,88	9,59	–
20		221258	2537	2402	9,286	1,868	3,417	18,17	9,73	–
25		225039	2547	2409	9,318	1,869	3,359	18,47	9,87	–
30		228819	2556	2416	9,349	1,869	3,304	18,78	10,02	–
35		232598	2565	2423	9,380	1,870	3,249	19,10	10,17	–
40		236377	2575	2430	9,410	1,871	3,197	19,43	10,32	–
45		240155	2584	2437	9,439	1,872	3,147	19,77	10,47	–
50		243933	2593	2444	9,469	1,874	3,098	20,11	10,63	–
60		251489	2612	2459	9,526	1,876	3,004	20,82	10,96	–
70		259043	2631	2473	9,581	1,880	2,916	21,56	11,29	–
80		266597	2650	2487	9,635	1,883	2,833	22,31	11,64	–
90		274150	2669	2501	9,688	1,887	2,755	23,10	11,99	–
100		281703	2688	2515	9,739	1,891	2,681	23,90	12,53	–
200		357216	2879	2661	10,194	1,940	2,114	32,89	16,21	–
300		432721	3076	2811	10,571	2,000	1,745	43,26	20,30	–
500		583725	3489	3132	11,188	2,131	1,293	66,90	28,57	–
750		772477	4043	3571	11,808	2,307	0,977	100,20	38,47	–
1000		961227	4642	4054	12,331	2,478	0,785	136,30	47,66	–
^{1^{Die Werte der Oberflächenspannung sind hier identisch zur ersten Tabelle, wobei in gleicherweise der Sättigungsdampfdruck angewendet werden muss.}}

Sättigungsdampfdruck

Folgende Tabelle basiert auf verschiedenen, sich gegenseitig ergänzenden Quellen bzw. Näherungsformeln, was jedoch auch nach sich zieht, dass die Werte von unterschiedlicher Güte und Genauigkeit sind. Die Werte des Temperaturbereichs von -100 °C bis 100 °C wurden aus D. Sonntag (1982) entnommen und sind daher recht einheitlich und genau, wenn auch nicht auf dem neuesten Stand. Die Werte des Temperaturbereichs vom Siedepunkt des Wassers bis zum kritischen Punkt, also von 100 °C bis 374 °C, stammen jedoch aus unterschiedlichen Quellen und sind daher wesentlich ungenauer, folglich sollten sie auch nur als Orientierungswerte verstanden und genutzt werden.

Zur richtigen Nutzung der Werte sind folgende Punkte zu beachten:

Die Werte gelten nur für ebene Oberflächen und in der Abwesenheit anderer Gase bzw. Gasgemische wie Luft. Sie gelten also lediglich für reine Phasen und benötigen einen Korrekturfaktor bei der Anwesenheit von Luft.
Die Werte wurden nicht nach der Magnus-Formel berechnet, sondern nach etwas genaueren Formeln (siehe unten), mit deren Hilfe sich auch weitere Werte in den entsprechenden Temperaturintervallen berechnen lassen.
Die Sättigungsdampfdrücke über Wasser im Temperaturintervall von -100 °C bis -50 °C wurden lediglich extrapoliert.
Die Werte haben unterschiedliche Einheiten (Pa, hPa oder bar), was es beim Ablesen zu beachten gilt.
Aufgrund des Veröffentlichungsdatums o.g. Quellen ist die zugrunde liegende Temperaturskala noch IPTS-68, die inzwischen durch ITS-90 abgelöst wurde.

Formeln

Berechnet wurden die Tabellenwerte von -100 °C bis 100 °C durch folgende Formeln:

Über Wasser:

$E_w (T) = \exp \left(-6094{,}4642 \cdot T^{-1} + 21{,}1249952 - 2{,}724552 \cdot 10^{-2} \cdot T + 1{,}6853396 \cdot 10^{-5} \cdot T^2 + 2{,}4575506 \cdot \ln T\right)$

Temperaturintervall:

$173{,}15\ \mathrm{K} \leq T \leq 373{,}15\ \mathrm{K}$ , entspricht $-100 \,^{\circ}\mathrm{C}\leq t \leq 100 \,^{\circ}\mathrm{C}$

Über Eis:

$E_i (T) = \exp \left( -5504{,}4088 \cdot T^{-1} - 3{,}5704628 - 1{,}7337458 \cdot 10^{-2} \cdot T + 6{,}5204209 \cdot 10^{-6} \cdot T^2 + 6{,}1295027 \cdot \ln T\right)$

Temperaturintervall:

$173{,}15\ \mathrm{K} \leq T \leq 273{,}15\ \mathrm{K}$ , entspricht $-100 \,^{\circ}\mathrm{C} \leq t \leq 0 \,^{\circ}\mathrm{C}$

Werden die Temperaturen in Kelvin eingesetzt, so ergibt sich der jeweilige Sättigungsdampfdruck E(T) in Pa.

Tripelpunkt

Ein wichtiger Grundwert, der nicht in die Tabelle eingetragen wurde, ist der Sättigungsdampfdruck beim Tripelpunkt des Wassers. Der international akzeptierte Bestwert nach Messungen von Guildner, Johnson und Jones (1976) beträgt:

$E_w(t_{tr}=0{,}01 \,^{\circ}\mathrm{C}) = 611{,}657\ \mathrm{Pa}\ \pm 0{,}010\ \mathrm{Pa}\ \mathrm{bei}\ (1-\alpha)=99\mathrm{\%}$

Tabelle

Beispielwerte des Sättigungsdampfdrucks von Wasser
Temperatur t in °C	$E i$ (t) über Eis p in Pa	$E w$ (t) über Wasser p in Pa	Temperatur t in °C	E(t) über Wasser p in hPa	Temperatur t in °C	E(t) p in bar	Temperatur t in °C	E(t) p in bar	Temperatur t in °C	E(t) p in bar
-100	0,0013957	0,0036309	0	6,11213	100	1,01	200	15,55	300	85,88
-99	0,0017094	0,0044121	1	6,57069	101	1,05	201	15,88	301	87,09
-98	0,0020889	0,0053487	2	7,05949	102	1,09	202	16,21	302	88,32
-97	0,002547	0,0064692	3	7,58023	103	1,13	203	16,55	303	89,57
-96	0,0030987	0,0078067	4	8,13467	104	1,17	204	16,89	304	90,82
-95	0,0037617	0,0093996	5	8,72469	105	1,21	205	17,24	305	92,09
-94	0,0045569	0,011293	6	9,35222	106	1,25	206	17,6	306	93,38
-93	0,0055087	0,013538	7	10,0193	107	1,3	207	17,96	307	94,67
-92	0,0066455	0,016195	8	10,728	108	1,34	208	18,32	308	95,98
-91	0,0080008	0,019333	9	11,4806	109	1,39	209	18,7	309	97,31
-90	0,0096132	0,023031	10	12,2794	110	1,43	210	19,07	310	98,65
-89	0,011528	0,027381	11	13,1267	111	1,48	211	19,46	311	100
-88	0,013797	0,032489	12	14,0251	112	1,53	212	19,85	312	101,37
-87	0,016482	0,038474	13	14,9772	113	1,58	213	20,25	313	102,75
-86	0,019653	0,045473	14	15,9856	114	1,64	214	20,65	314	104,15
-85	0,02339	0,053645	15	17,0532	115	1,69	215	21,06	315	105,56
-84	0,027788	0,063166	16	18,1829	116	1,75	216	21,47	316	106,98
-83	0,032954	0,074241	17	19,3778	117	1,81	217	21,89	317	108,43
-82	0,039011	0,087101	18	20,6409	118	1,86	218	22,32	318	109,88
-81	0,046102	0,10201	19	21,9757	119	1,93	219	22,75	319	111,35
-80	0,054388	0,11925	20	23,3854	120	1,99	220	23,19	320	112,84
-79	0,064057	0,13918	21	24,8737	121	2,05	221	23,64	321	114,34
-78	0,07532	0,16215	22	26,4442	122	2,12	222	24,09	322	115,86
-77	0,088419	0,1886	23	28,1006	123	2,18	223	24,55	323	117,39
-76	0,10363	0,21901	24	29,847	124	2,25	224	25,02	324	118,94
-75	0,12127	0,25391	25	31,6874	125	2,32	225	25,49	325	120,51
-74	0,14168	0,2939	26	33,626	126	2,4	226	25,98	326	122,09
-73	0,16528	0,33966	27	35,6671	127	2,47	227	26,46	327	123,68
-72	0,19252	0,39193	28	37,8154	128	2,55	228	26,96	328	125,3
-71	0,22391	0,45156	29	40,0754	129	2,62	229	27,46	329	126,93
-70	0,26004	0,51948	30	42,452	130	2,7	230	27,97	330	128,58
-69	0,30156	0,59672	31	44,9502	131	2,78	231	28,48	331	130,24
-68	0,34921	0,68446	32	47,5752	132	2,87	232	29,01	332	131,92
-67	0,40383	0,78397	33	50,3322	133	2,95	233	29,54	333	133,62
-66	0,46633	0,89668	34	53,2267	134	3,04	234	30,08	334	135,33
-65	0,53778	1,0242	35	56,2645	135	3,13	235	30,62	335	137,07
-64	0,61933	1,1682	36	59,4513	136	3,22	236	31,18	336	138,82
-63	0,71231	1,3306	37	62,7933	137	3,32	237	31,74	337	140,59
-62	0,81817	1,5136	38	66,2956	138	3,42	238	32,31	338	142,37
-61	0,93854	1,7195	39	69,9675	139	3,51	239	32,88	339	144,18
-60	1,0753	1,9509	40	73,8127	140	3,62	240	33,47	340	146
-59	1,2303	2,2106	41	77,8319	141	3,72	241	34,06	341	147,84
-58	1,406	2,5018	42	82,0536	142	3,82	242	34,66	342	149,71
-57	1,6049	2,8277	43	86,4633	143	3,93	243	35,27	343	151,58
-56	1,8296	3,1922	44	91,0757	144	4,04	244	35,88	344	153,48
-55	2,0833	3,5993	45	95,8984	145	4,16	245	36,51	345	155,4
-54	2,3694	4,0535	46	100,939	146	4,27	246	37,14	346	157,34
-53	2,6917	4,5597	47	106,206	147	4,39	247	37,78	347	159,3
-52	3,0542	5,1231	48	111,708	148	4,51	248	38,43	348	161,28
-51	3,4618	5,7496	49	117,452	149	4,64	249	39,09	349	163,27
-50	3,9193	6,4454	50	123,4478	150	4,76	250	39,76	350	165,29
-49	4,4324	7,2174	51	129,7042	151	4,89	251	40,44	351	167,33
-48	5,0073	8,0729	52	136,2304	152	5,02	252	41,12	352	169,39
-47	5,6506	9,0201	53	143,0357	153	5,16	253	41,81	353	171,47
-46	6,3699	10,068	54	150,1298	154	5,29	254	42,52	354	173,58
-45	7,1732	11,225	55	157,5226	155	5,43	255	43,23	355	175,7
-44	8,0695	12,503	56	165,2243	156	5,58	256	43,95	356	177,85
-43	9,0685	13,911	57	173,2451	157	5,72	257	44,68	357	180,02
-42	10,181	15,463	58	181,5959	158	5,87	258	45,42	358	182,21
-41	11,419	17,17	59	190,2874	159	6,03	259	46,16	359	184,43
-40	12,794	19,048	60	199,3309	160	6,18	260	46,92	360	186,66
-39	14,321	21,11	61	208,7378	161	6,34	261	47,69	361	188,93
-38	16,016	23,372	62	218,5198	162	6,5	262	48,46	362	191,21
-37	17,893	25,853	63	228,6888	163	6,67	263	49,25	363	193,52
-36	19,973	28,57	64	239,2572	164	6,84	264	50,05	364	195,86
-35	22,273	31,544	65	250,2373	165	7,01	265	50,85	365	198,22
-34	24,816	34,795	66	261,6421	166	7,18	266	51,67	366	200,61
-33	27,624	38,347	67	273,4845	167	7,36	267	52,49	367	203,02
-32	30,723	42,225	68	285,7781	168	7,55	268	53,33	368	205,47
-31	34,14	46,453	69	298,5363	169	7,73	269	54,17	369	207,93
-30	37,903	51,06	70	311,7731	170	7,92	270	55,03	370	210,43
-29	42,046	56,077	71	325,5029	171	8,11	271	55,89	371	212,96
-28	46,601	61,534	72	339,7401	172	8,31	272	56,77	372	215,53
-27	51,607	67,466	73	354,4995	173	8,51	273	57,66	373	218,13
-26	57,104	73,909	74	369,7963	174	8,72	274	58,56	374	220,64
-25	63,134	80,902	75	385,6459	175	8,92	275	59,46	374,15	221,2
-24	69,745	88,485	76	402,0641	176	9,14	276	60,38
-23	76,987	96,701	77	419,0669	177	9,35	277	61,31
-22	84,914	105,6	78	436,6708	178	9,57	278	62,25
-21	93,584	115,22	79	454,8923	179	9,8	279	63,2
-20	103,06	125,63	80	473,7485	180	10,03	280	64,17
-19	113,41	136,88	81	493,2567	181	10,26	281	65,14
-18	124,7	149,01	82	513,4345	182	10,5	282	66,12
-17	137,02	162,11	83	534,3	183	10,74	283	67,12
-16	150,44	176,23	84	555,8714	184	10,98	284	68,13
-15	165,06	191,44	85	578,1673	185	11,23	285	69,15
-14	180,97	207,81	86	601,2068	186	11,49	286	70,18
-13	198,27	225,43	87	625,009	187	11,75	287	71,22
-12	217,07	244,37	88	649,5936	188	12,01	288	72,27
-11	237,49	264,72	89	674,9806	189	12,28	289	73,34
-10	259,66	286,57	90	701,1904	190	12,55	290	74,42
-9	283,69	310,02	91	728,2434	191	12,83	291	75,51
-8	309,75	335,16	92	756,1608	192	13,11	292	76,61
-7	337,97	362,1	93	784,9639	193	13,4	293	77,72
-6	368,52	390,95	94	814,6743	194	13,69	294	78,85
-5	401,58	421,84	95	845,3141	195	13,99	295	79,99
-4	437,31	454,88	96	876,9057	196	14,29	296	81,14
-3	475,92	490,19	97	909,4718	197	14,6	297	82,31
-2	517,62	527,93	98	943,0355	198	14,91	298	83,48
-1	562,62	568,22	99	977,6203	199	15,22	299	84,67
0	611,153	611,213	100	1013,25	200	15,55	300	85,88

Permittivität

Die relative Permittivität $\varepsilon$ (Dielektrizitätszahl) von Wasser hängt von der Temperatur und von der Frequenz ab. Die Frequenzabhängigkeit kann nach der folgenden Beziehung als Cole-Cole-Diagramm dargestellt werden, wobei $ω$ die Kreisfrequenz und j die imaginäre Einheit ist.

$\varepsilon=\varepsilon_\infty+\frac{\varepsilon_s-\varepsilon_\infty}{1+{j \omega \tau}}$

Als Ortskurve ergibt sich ein Halbkreis, dessen Lage und Größe von drei Parametern abhängt, die bei Raumtemperatur etwa die folgenden Werte haben:

Die statische Dielektrizitätszahl $\varepsilon_s$ , also die relative Permittivität von Wasser bei der Frequenz 0 Hz, $\varepsilon_s \approx 80$
Die Dielektrizitätszahl bei sehr hohen Frequenzen $\varepsilon_\infty \approx 6$
Die Relaxationszeitkonstante $\tau \approx 10~ps$

Im Bild ist die Ortskurve der relativen Permittivität von Wasser für die Temperatur 0 °C dargestellt. Bei dieser Temperatur ist $\varepsilon_s \approx 88$ und $\varepsilon_\infty \approx 4$ . Auf der Abszisse des Cole-Cole-Diagramms wird der Realteil $\varepsilon'$ der relativen Permittivität $\varepsilon=\varepsilon'-j\varepsilon''$ und auf der Ordinate ihr negativer Imaginärteil $\varepsilon''$ abgelesen.

Literatur

J. B. Hasted: Aqueous dielectrics. Chapman and Hall, London 1973. ISBN 0-4120-9800-8
Wolfgang Wagner und Hans-Joachim Kretzschmar (2007): The Industrial Standard IAPWS-IF97 for the Thermodynamic Properties and Supplemetary Equations for Other Properties: Tables, Algorithms, Diagrams, Software Original published in German and English, 2nd ed., 2007, Approx. 350 p., with Falttafeln, Hardcover ISBN 978-3-540-21419-9
L.A. Guildner, D.P. Johnson und F.E. Jones (1976): Vapor pressure of Water at Its Triple Point. J. Res. NBS - A, Vol. 80A, No. 3, p. 505 - 521
Klaus Scheffler (1981): Wasserdampftafeln: thermodynam. Eigenschaften von Wasser u. Wasserdampf bis 800°C u. 800 bar, Berlin [u.a.] ISBN 3540109307
D. Sonntag und D. Heinze (1982): Sättigungsdampfdruck- und Sättigungsdampfdichtetafeln für Wasser und Eis. (1. Aufl.), VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie
Ulrich Grigull, Johannes Staub, Peter Schiebener (1990): Steam Tables in SI-Units - Wasserdampftafeln. Springer-Verlagdima gmbh
Christian Bewer, Dekan Kevin Stevens, (1978): Water-Proofed?. A-Springer Germany

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