Einführung in die Physische Geographie Teil Klima und Wasser 4. Wasser als Stoff PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000 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 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 Wasser kommt auf der Erde in allen Phasen vor: fest, flüssig, gasförmig Quelle:Dingman, 1994

Quelle: Strahler & Strahler, 1997 Wasser als Stoff Quelle: Strahler & Strahler, 1997 flüssiges Wasser (Wasserstoffbrückenbindung) festes Wasser (Wasserstoffbrückenbindung) Quelle:Dingman, 1994

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

Zustandsdiagramm des Wassers flüssiges Wasser Eis Wasserdampf Quelle:Dingman, 1994

Zustandsdiagramm des Wassers flüssig fest gas Zustandsdiagramm des H2O (Phasendiagramm), in dem für die Meteorologie besonders interessanten Bereich

Wasser als Stoff einige Wassermoleküle sind in der Luft im Gleichgewicht vorhanden Luft es herrscht ein Gleichgewichts-Wasserdampfdruck über der ebenen Wasserfläche flüssiges Wasser Quelle:Dingman, 1994

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers flüssig fest gas

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers flüssig fest (Abweichung vom Gleichgewicht) flüssig möglich gas

Sättigungs-Dampfdruck – Kurve des Wassers diese Kurve wird beschrieben durch die Formel nach Clausius Clapeyron: bzw. näherungsweise durch die Magnus-Formel: Phase t (°C) C1 / hPa C2 C3 / °C Eis < 0 6.11 22.44 272.44 Wasser 17.84 245.43 > 0 17.08 234.18 e*: Sättigungs-Wasserdampfdruck; L: Verdampfungswärme T: Temperatur in K; t: Temperatur in °C

Wasserdampf in der Luft 30.4 17.3 9.4 4.85 Sättigungskurven für den Wasserdampfgehalt in Luft über flüssigem Wasser (Gleichgewichts-Kurve). Die Linie entspricht einer relativen Luftfeuchte von 100 %.

Wasserdampf in der Luft 87 % 50 % 87 % 100 % die relative Luftfeuchte rF ist das Verhältnis aktueller Feuchtgehalt / maximal möglicher Fuchtegehalt bzw. Wasserdampfdruck / Sättigungsdampfdruck

Dichte des flüssigen Wassers 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

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

Eigenschaften des Wassers Gase lösen sich physikalisch in Wasser die Gaslöslichkeit wird mit der Henry – Konstante KH 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: