Der merkwürdige Taupunkt: Was passiert denn da?

#Übersicht

• Der Taupunkt ist kein Punkt im Sinne eines Ortes. Er entspricht vielmehr der Temperatur, bei der sich Wasserdampfmoleküle zu einem Wassertropfen verbinden.
• Geschieht dies in der Luft, wird Tauwasser (Kondensat), z. B. als Nebel, sichtbar.
• Geschieht dies auf einem für Wasserdampf undurchdringlichen Material, z. B. Fensterglas, beschlägt die Fläche.
• Geschieht dies in einem wasserdampfdurchlässigen Material, wie z. B. Ziegelsteinen, kommt es zu einer Durchfeuchtung des Steines.
• Der Taupunkt wird erreicht, wenn die Raumluft die maximal mögliche Menge (100 %) an Wasserdampfmolekülen aufgenommen hat. Dieser Zustand ist temperaturabhängig. Steigt die Raumlufttemperatur, z. B. durch ein Heizgerät, steigt auch die Taupunkttemperatur. D. h., die Raumluft kann nun noch mehr Wasserdampfmoleküle aufnehmen. Sinkt die Lufttemperatur durch Abkühlung, z. B. an Außenwänden oder Scheiben, sinkt auch die Taupunkttemperatur.
• Um Kondensatbildung auf oder in Baustoffen zu vermeiden, muss die Luftfeuchtigkeit in der Raumluft auf unkritische Mengen reduziert bleiben und/oder die Temperatur der Bauteile innen bzw. oberflächlich erhöht werden.
• Durch eine Dampfbremse kann das Eindringen von Wasserdampf in wasserdampfdurchlässige Materialien (Wandbaustoffe, Dämmstoffe) gebremst und die Bildung von Tauwasser reduziert werden.

#Wie verhält sich Wasserdampf in der Raumluft bei unterschiedlichen Lufttemperaturen?

Eine Tabelle zur Raumluftfeuchtigkeit und Sättigung finden Sie in Kann auch Luft gesättigt sein?

Während die Konzentration der meisten in der Luft enthaltenen Gase an verschiedenen Orten der Erde und bei unterschiedlichen Temperaturen etwa gleich ist, zeigt der Wasserdampf ein ganz anderes Verhalten. So befindet sich in der arktischen Luft meist nur sehr wenig Wasserdampf (Wasserdampf ist in Eis gebunden). In subtropischen Regionen unserer Erde geht es dagegen richtig nass zu. Hier ist die Luft warm und wie in einem Dampfbad vollgepackt mit Wasserdampfmolekülen. Es liegt also nahe, einen Einfluss der Lufttemperatur auf das Verhalten von Wasserdampf zu vermuten.

Machen wir einige Experimente:

1. Beobachten wir unsere ausgeatmete Luft in verschiedenen Situationen. Zunächst hauchen wir in unsere als Muschel geformte Handfläche. Wir bemerken, dass die ausgeatmete Luft recht warm ist. Ein Thermometer würde uns zeigen, dass die Ausatemtemperatur bei ca. 33 °C liegt, wenn die Luft den Körper über den Mund verlässt. Wird wie üblicherweise über die Nase ausgeatmet, beträgt die Temperatur nur etwa 30 °C.
2. Nun hauchen wir einen Spiegel oder Brillengläser an. Ein dünner, milchiger Film wird sichtbar. Hier hat sich der beim Verlassen des Körpers zunächst unsichtbare Wasserdampf mit sichtbaren winzigen Tröpfchen vermischt und gleichmäßig abgesetzt. Wenn die Umgebungsluft etwa normal feucht ist (also nicht Sauna, nicht −10 °C), verschwindet der Niederschlag nach wenigen Sekunden wieder.
3. Gehen wir jetzt nach draußen. Wir beobachten unsere Ausatemluft und sehen, dass wir im Sommer nichts sehen. Bei sehr kaltem Wetter jedoch entfalten sich beim Ausatmen kleine Wölkchen vor unserem Gesicht, die rasch wieder verschwinden. Da die chemische Zusammensetzung unserer Ausatemluft im Sommer wie im Winter etwa gleich bleibt, kann es sich nur um unterschiedliches Verhalten durch Temperaturänderung handeln.

Was macht das mit der Ausatemluft? Und was hat sich gegenüber der Einatemluft geändert?

Bei einer Temperatur von ca. 33 °C (Ausatemluft) beträgt der Wasseranteil etwa 32 g pro m³ Luftvolumen. Da der Mensch bei einfacher Tätigkeit etwa 8 Liter Luft pro Minute ein- bzw. ausatmet, kommen so am Tag knapp 12 m³ Luftvolumen zusammen. In der ausgeatmeten Luft sind pro Tag also knapp 400 Gramm Wasserdampf enthalten, der an die Umgebungsluft abgegeben wird. Da die eingeatmete Luft bei 20 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit im gleichen Zeitraum nur etwa 100 Gramm Wasser beinhaltet, entsteht für den Körper durch das Ausatmen ein Feuchtigkeitsverlust von rund 300 Gramm. Außerdem wird geschwitzt. Dies sind Gründe, warum die Körpergewichtswaage am Morgen immer ein etwas geringeres Gewicht als abends anzeigt. Dieser Wasserverlust kann nur durch Trinken kompensiert werden.

Verlässt die warme, feuchte Ausatemluft den Körper und strömt in kalte Umgebungsluft hinein, erfährt sie eine Abkühlung. Die enthaltenen Wasserdampfmoleküle verlieren dadurch Energie, „beruhigen" sich und haben das Bestreben, sich mit ihresgleichen zu verbinden. Der sogenannte Taupunkt kann jetzt erreicht werden. Das ist der Moment, bei dem sich winzige Tröpfchen bilden, die den Wasserdampf als kleinste Wasserteilchen (Nebel!) sichtbar machen. Diese kleine Wolke verschwindet allerdings rasch wieder, wenn die Umgebungsluft trocken ist, also noch weiteren Wasserdampf aufzunehmen in der Lage ist. Hauchen wir dagegen an einem warmen Tag in die Luft, kühlt sich die Ausatemluft nur wenig ab. Die Wasserdampfmoleküle bleiben vereinzelt, bilden keine Tröpfchen und sind unsichtbar. Der Taupunkt wird nicht erreicht.

#Taupunkt hat nichts mit Tauwetter zu tun

Der auf „Taupunkt" verkürzte Begriff der Taupunkttemperatur ist irreführend, da es sich nicht um einen Punkt, also einen Ort, handelt. Vielmehr geht es um die Temperatur, bei deren Unterschreitung unsichtbarer Wasserdampf zu sichtbaren Tröpfchen kondensiert. Steigt hingegen die Temperatur wieder, verdunsten Wassertröpfchen und werden als Wasserdampf von der Umgebungsluft wieder aufgenommen. Die Taupunkttemperatur hat also nichts mit Tauwetter oder dem Auftauen von Eis zu tun.

Die Taupunkttemperatur liegt auch nicht bei 0 °C (Eis beginnt zu tauen), sondern ist abhängig von der Temperatur der Umgebungsluft und von deren momentaner Wasserdampfmenge. Mit anderen Worten: Befindet sich in der Luft, die z. B. Zimmertemperatur besitzt, nur wenig Wasserdampf (verhältnismäßig trockene Luft), ist die Taupunkttemperatur für diese Luft niedriger, als wenn sich in der Raumluft schon sehr viele Wasserdampfmoleküle befinden (verhältnismäßig feuchte Luft).

Vielleicht haben Sie sich schon einmal gefragt, warum an manchen Tagen Flugzeuge am blauen Himmel einen langen Kondensstreifen verursachen, an anderen Tagen dagegen nicht der Rede wert ist. Nun, bei einer Flugzeugturbine entsteht durch die Verbrennung von Kerosin Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf. Verlässt der Wasserdampf mit den heißen Abgasen das Turbinengehäuse, kommt es wegen der sehr niedrigen Umgebungstemperatur zur schlagartigen Unterschreitung der Taupunkttemperatur. Es bilden sich winzige Wassertröpfchen und Eiskristalle. Wir sehen am Himmel einen Streifen von kondensiertem Wasserdampf. Dieser verschwindet rasch wieder, wenn die Umgebungsluft kalt und trocken ist, die Luft also noch Wasserdampf aufnehmen kann. Ist die Luft dagegen kalt und feucht, kann sie eventuell keinen weiteren Wasserdampf mehr aufnehmen. Dann bleiben uns die Kondensstreifen mehrere Minuten erhalten.

Schauen wir uns die Vorgänge an einem Spiegel, den wir anhauchen, etwas genauer an. Bei 20 °C Raumtemperatur wird seine Glasfläche, sofern diese an einer Raum-Innenwand hängt, auch etwa 20 °C warm sein (hängt der Spiegel an einer Außenwand, kann sich bei schwacher Wärmedämmung der Wand auch eine deutlich niedrigere Temperatur auf dem Spiegelglas einstellen). Nun hat Glas die Eigenschaft, recht träge gegenüber Temperaturänderungen zu reagieren. Daher steigt die Oberflächentemperatur des Spiegels nur langsam und geringfügig an, wenn sich ein warmer Lufthauch von 33 °C darüber legt. Die Ausatemluft selbst kühlt jedoch rasch ab, und zwar unmittelbar über der angehauchten Oberfläche. Wird dabei die Taupunkttemperatur unterschritten, können wir kleinste Wassertröpfchen beobachten, die eine milchige Schicht auf dem Spiegelglas hinterlassen. Nach ein paar Sekunden verschwindet der Spuk, weil die Wassertröpfchen wieder verdunsten.

Die Bildung von Tauwasser können wir unter bestimmten Bedingungen auch an anderen Stellen gut beobachten:

• So beschlägt eine Brille, wenn wir aus der Kälte zur Wohnungstür hereinkommen (Der Wasserdampf der Wohnungsluft kondensiert auf dem Brillenglas).
• An der Getränkeflasche aus dem Kühlschrank bilden sich nach der Herausnahme Tröpfchen.
• Am Rand der Fenster im Schlafzimmer entstehen über Nacht dicke Wassernester auf dem Glas und Rahmen (Der oft hohe Wasserdampfgehalt der Schlafraumluft führt zur Kondensation auf dem Fensterglas) .
• Fensterscheiben beschlagen von außen, wenn wir das Fenster zum Lüften weit öffnen (Die äußeren Scheiben eines Fensters sind so kalt wie die Außenluft, wodurch der Wasserdampf dort sichtbar kondensiert).
• Wenn wir bei geöffnetem Fenster kochen, tritt warmer, sichtbarer Dampf zum Küchenfenster heraus.
• Beim Kochen (z. B. von Kartoffeln) kondensiert Wasserdampf an der Unterseite eines Glasdeckels, wobei sich dicke Tropfen bilden, die, wenn sie groß genug sind, wieder ins Kochwasser zurückfallen.

Alle diese Beobachtungen beruhen auf einer schlagartigen Zustandsveränderung des Wassers, deren Ursache entweder:

• das Absinken der Lufttemperatur, in diesem Fall unmittelbar über den Oberflächen der genannten kühlen Dinge (kalte Brille, kühle Bierflasche usw.) oder
• die Zunahme der Wasserdampfkonzentration ist (z. B. beim Kochen mit geschlossenem Glasdeckel).

ausführlich in energytools.de

• Bauschäden und Schimmelpilz
• Rechentool zur Taupunktermittlung

...weiterlesen