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Dampf,

 

Bezeichnung für einen im gasförmigen Aggregatzustand befindlicher Stoff oder auch für seine gasförmige Phase, wenn diese in thermodynamische Wechselwirkung (d. h. in Energie- und Massenaustausch), im engeren Sinn im thermodynamischen Gleichgewicht mit der gleichzeitig vorhandenen flüssigen oder festen Phase des Stoffes (z. B. in Form eines flüssigen oder festen »Bodenkörpers« oder Kondensats) steht. Die Bezeichnung Dampf und dampfförmige oder Dampfphase werden v. a. dann verwendet, wenn die gasförmige Phase durch nicht allzu große Druck-, Temperatur- oder Volumenänderungen zur Kondensation gebracht werden kann. Jeder Dampf ist ein reales Gas, d. h., er gehorcht im Allgemeinen nicht den Gasgesetzen eines idealen Gases. Der in Natur und Technik wichtigste Dampf ist der Wasserdampf.

 

Meist entsteht Dampf durch Verdampfung (ohne zusätzliche Wärmezufuhr unterhalb der normalen Siedetemperatur durch Verdunstung) oder Sublimation. Dampf und flüssige oder feste Phase stehen im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn sie gleiche Temperatur haben und sich ihre Stoffmengen in den koexistierenden Phasen nicht ändern, d. h. stets gleich viel Moleküle infolge Verdampfung beziehungsweise Sublimation und gleichzeitiger Kondensation zwischen den Phasen ausgetauscht werden. Der Dampfraum über dem Bodenkörper oder Kondensat hat dann die für die vorliegende Gleichgewichtstemperatur größtmögliche Menge an Molekülen aufgenommen: Der Dampf wird als Sattdampf, Trockendampf oder gesättigter Dampf bezeichnet, der von seinen Molekülen auf die Oberfläche des Bodenkörpers oder Kondensats und auf den Dampfraum umgebende Wände ausgeübte Druck als Dampfdruck, gelegentlich auch als Gleichgewichts- oder Sättigungsdampfdruck. Er hängt nur von der Gleichgewichtstemperatur ab. Verändert man das Volumen des Dampfraumes, so wird durch Änderung der Kondensation oder Verdampfung der für die vorliegende Temperatur charakteristische Dampfdruck wieder eingestellt, solange die flüssige oder feste Phase vorhanden ist.

 

Wird der Sattdampf vom Bodenkörper oder Kondensat getrennt und bei gleich bleibendem Druck erhitzt, so wird der Dampf zunehmend ungesättigter und als Heißdampf oder überhitzter Dampf bezeichnet. Die Dampfdichte des Heißdampfes ist kleiner als die Dampfdichte eines Sattdampfes gleicher Temperatur. Bei zunehmender Überhitzung verhält er sich jedoch immer mehr wie ein ideales Gas. - Wird Sattdampf bei gleich bleibendem Druck abgekühlt, z. B. durch adiabatische Expansion, so kondensiert er teilweise. Waren aber zu Beginn kein Kondensat oder keine Kondensationskeime vorhanden, so kann er in einem gewissen Temperaturbereich unterhalb der Siedetemperatur metastabil als übersättigter Dampf existieren. Werden plötzlich Kondensationskerne (z. B. durch hochenergetische Teilchen erzeugte Ionen) eingebracht, so kondensiert er schlagartig: Es bilden sich kleine Nebeltröpfchen an den Kondensationskernen (Prinzip der wilsonschen Nebelkammer). Während ein Dampf meistens unsichtbar ist, sind an einer Wolke weißen »Wasserdampfes« nicht der aus Molekülen (gegebenenfalls aus Molekülclustern) bestehende Dampf selbst sichtbar, sondern die in ihm enthaltenen fein verteilten kleinen Wassertröpfchen, die ein im Dampfraum verteiltes Kondensat bilden. Ein solches Gemisch (Zweiphasensystem), das in der Energietechnik als Nassdampf bezeichnet wird, ist auch der Nebel.

 

Um einen Stoff bei einer bestimmten Temperatur unter konstantem Druck vollständig durch Verdampfung oder Sublimation in den Dampfzustand zu überführen, muss ihm eine bestimmte Verdampfungs- beziehungsweise Sublimationswärme zugeführt werden, und zwar je Massen- oder Stoffmengeneinheit die Verdampfungsenthalpie ΔH dieser Verdampfungstemperatur T_V. Sie beträgt für Wasser 2,537 kJ/g bei 0 ºC und 2,257 kJ/g bei 100 ºC. Die Temperatur des Dampfes steigt erst dann über die Verdampfungstemperatur, wenn die ganze Stoffmenge verdampft ist, wie man am Isothermenverlauf beim Andrews-Diagramm im Nassdampfbereich erkennen kann. Beim Kondensieren wird die Enthalpiedifferenz ΔH als Kondensationswärme wieder frei. Erfahrungsgemäß ist ΔH umso kleiner, je größer die Verdampfungstemperatur gewählt wurde. Sie wird schließlich null für die für jeden Stoff charakteristische kritische Temperatur T_k.