Dampf [1]

Dampf, jeder gasförmige Körper, der durch die Wirkung der Wärme aus einer Flüssigkeit entstanden ist und sich durch Druck wieder verflüssigen läßt (s. Gase). Den Übergang einer Flüssigkeit in D. nennt man Verdampfung, wenn der D. aus dem Innern in Blasen entweicht (Sieden), was voraussetzt, daß der Druck des Dampfes gleich dem Atmosphärendruck ist; man nennt ihn Verdunstung, wenn die Dampfbildung nur an der Oberfläche erfolgt. Die zur Erzeugung von 1 kg D. von gleicher Temperatur wie die Flüssigkeit verbrauchte Wärmemenge (latente Wärme) heißt Verdampfungswärme. Um den D. einer Flüssigkeit unvermischt mit Luft zu erhalten, fülle man eine an einem Ende zugeschmolzene, 80–90 cm lange Glasröhre mit Quecksilber bis auf einen kleinen Raum, den man nun noch mit der zu verdampfenden Flüssigkeit, z. B. mit Äther, füllt. Man verschließt nun die Röhre, die jetzt nur die beiden Flüssigkeiten, aber keine Luft enthält, luftdicht mit dem Finger, bringt die verschlossene Mündung unter die Oberfläche einer in tiefem Gefäß befindlichen Quecksilbermenge, entfernt den Finger und stellt die Röhre lotrecht (Fig. 1, S. 414). Über der Quecksilbersäule, die noch in der Röhre stehen geblieben ist, befindet sich ein Rest des flüssigen Äthers und über diesem der vollkommen durchsichtige und daher unsichtbare Ätherdampf. Wäre dieser Raum leer, so müßte die in der Röhre stehengebliebene Quecksilbersäule so hoch sein wie die Quecksilbersäule in einem gleichzeitig beobachteten Barometer. Sie steht aber viel niedriger und zeigt dadurch an, daß im Innern der Röhre ein Gegendruck ausgeübt wird, der nur von dem Ausdehnungsbestreben (Expansivkraft, Spannkraft, Tension) eines über dem Quecksilber befindlichen gasförmigen Körpers, nämlich des Ätherdampfes, herrühren kann. Da dieser Druck im Verein mit der in der Röhre stehenden Quecksilbersäule dem durch den Barometerstand gemessenen äußern Luftdruck das Gleichgewicht hält, so ergibt der Unterschied der Höhe dieser Quecksilbersäule und der Barometerhöhe den Druck des Ätherdampfes, durch die Höhe einer Quecksilbersäule ausgedrückt. Bleibt die Temperatur der Umgebung, aus der die Flüssigkeit die zu ihrer Verdampfung erforderliche Wärme entnommen hat, unverändert, so bildet sich kein weiterer D. mehr, obgleich noch flüssiger Äther über dem Quecksilber vorhanden ist; der Raum über dem Quecksilber vermag also bei dieser Temperatur nur eine begrenzte Dampfmenge aufzunehmen, er ist mit D. gesättigt oder mit gesättigtem D. erfüllt. Zieht man aber die Röhre in die Höhe (ohne jedoch ihre Mündung aus dem Quecksilber zu heben), so bildet sich in dem Maß, als der Raum größer wird, neuer D. aus der Flüssigkeit, so daß der Raum mit D. von der gleichen Beschaffenheit wie vorhin gesättigt und der Dampfdruck unverändert bleibt, was man daran erkennt, daß die in der Röhre gehobene Quecksilbersäule die nämliche Höhe behält, bis die gesamte vorhandene Äthermenge verdampft ist. Wird dann durch weiteres

Herausziehen der Röhre der Raum noch mehr vergrößert, so steigt die Quecksilbersäule und zeigt dadurch an, daß der Druck des nun nicht mehr gesättigten Dampfes abnimmt und zwar in demselben Verhältnis wie seine Dichte (nach dem Mariotteschen Gesetz). Drückt man alsdann die Röhre wieder in das Quecksilber hinab, so wächst anfangs die Spannkraft des nicht gesättigten Dampfes, dem Mariotteschen Gesetz entsprechend, mit seiner Dichte, die Quecksilbersäule wird wieder niedriger, bis ihre ursprüngliche Höhe und damit der Sättigungszustand erreicht ist. Bei fernerm Hinabdrücken bleibt die Höhe der Quecksilbersäule und somit auch die Spannkraft des Ätherdampfes ungeändert; gleichzeitig entsteht flüssiger Äther in immer zunehmender Menge über dem Quecksilber, bis endlich die ganze Dampfmenge in Flüssigkeit verwandelt ist. Während also der ungesättigte D. dem Mariotteschen Gesetz gehorcht, indem sein Druck im umgekehrten Verhältnis mm Rauminhalt sich ändert, fügt sich der gesättigte D. diesem Gesetz nicht; durch Raumverminderung wird seine Spannkraft nicht erhöht, sondern es wird nur bewirkt, daß eine entsprechende Dampfmenge sich zu Flüssigkeit verdichtet, während der übriggebliebene Raum mit gesättigtem D. von unveränderter Spannkraft gefüllt bleibt. Der Druck, den der D. im Sättigungszustand ausübt, ist demnach der größte, den er bei der herrschenden Temperatur erreichen kann, und man bezeichnet daher den gesättigten D. auch als solchen, der für seine Temperatur die höchstmögliche Spannkroft besitzt, oder der sich im Maximum seiner Spannkraft befindet.

Wird ein Raum, der gesättigten D. nebst der Flüssigkeit, aus der er entstanden ist, enthält, höher erwärmt, so verdampft eine neue Flüssigkeitsmenge, und der Raum sättigt sich für diese höhere Temperatur mit D. von größerer Dichte und höherm Drucke. Kühlt man nachher den Raum wieder auf die vorige Temperatur ab, so schlägt sich die neugebildete Dampfmenge als Flüssigkeit nieder, und der Raum bleibt für die niedrigere Temperatur mit der frühern Dampfmenge gesättigt. Jeder Temperatur entspricht eine bestimmte Spannkraft des gesättigten Dampfes; um diese z. B. für Wasserdampf zu ermitteln, bringt man ein wenig Wasser in den luftleeren Raum eines Barometers (Fig. 2), das daselbst sofort teilweise verdampft und den Raum mit gesättigtem D. füllt. Die Barometerröhre wird mit einem weiten Rohr umgeben, das Wasser enthält, das man nach und nach von 0° auf 100° erwärmt. Mit wachsender Temperatur sieht man die Quecksilbersäule in der Röhre immer tiefer sinken, bis bei 100° das Quecksilber innerhalb und außerhalb der Röhre gleich hoch steht. Die Spannkraft des Dampfes für irgend eine Temperatur aber findet man, wenn man die Höhe jener Quecksilbersäule von derjenigen in einem gleichzeitig beobachteten Barometer abzieht. Die folgende Tabelle gibt die Spannkraft des gesättigten Wasserdampfes bis 100°, ausgedrückt durch die Höhe der Quecksilbersäule (m Millimetern), der sie das Gleichgewicht hält:

Nach dieser Tabelle liefert Wasser beim Gefrierpunkt (0°) noch D., der die Quecksilbersäule um 4,5 mm herabdrückt. Selbst aus dem Eis entwickelt sich noch Wasserdampf. Bei 100° erreicht der gesättigte Wasserdampf den nämlichen Druck wie die atmosphärische Luft oder den Druck einer Atmosphäre, der bekanntlich dem Druck einer Quecksilbersäule von 760 mm das Gleichgewicht hält. Das Quecksilber in der Röhre ist jetzt bis zur Oberfläche des äußern Quecksilbers herabgedrückt; bei noch höherer Erwärmung würde der D. den Luftdruck überwinden und unten aus der Röhre durch das Quecksilber entweichen. Für Temperaturen über dem Siedepunkt benutzt man daher eine zweischenkelige Röhre mit einem kurzen und weiten und einem engen, längern Schenkel (Fig. 3), die, während die Spitze des kurzen Schenkels noch offen ist, z. T. mit Quecksilber gefüllt wird, das sich in beiden Schenkeln gleich hoch stellt. Über das Quecksilber im kurzen Schenkel bringt man Wasser, erhält dasselbe so lange im Kochen, bis der sich entwickelnde D. alle Luft aus diesem Schenkel ausgetrieben hat, und schmelzt dann die Spitze des kurzen Schenkels rasch zu. Bei 100° steht das Quecksilber in beiden Schenkeln, von denen der längere offen geblieben ist, gleich hoch, weil der gesättigte D. von 100° dem in den offenen Schenkel hineinwirkenden Druck der Atmosphäre das Gleichgewicht hält. Erwärmt man aber höher, so steigt das Quecksilber im langen Schenkel, und die gehobene Quecksilbersäule gibt den Überschuß des Dampfdruckes über den äußern Luftdruck an. Beträgt z. B. die Höhe dieser Quecksilbersäule 760 mm, so hält die Spannkraft des Dampfes dem doppelten Luftdruck oder einem Druck von 2 Atmosphären das Gleichgewicht, deren eine durch den Druck der atmosphärischen Luft selbst, die andre durch den gleichgroßen Druck der 760 mm hohen Quecksilbersäule dargestellt wird. Der bessern Übersicht wegen drückt man diese höhern Dampfspannungen in »Atmosphären« (zu je 760 mm Quecksilber) aus. Die folgende Tabelle gibt die Spannkraft des gesättigten Wasserdampfes für höhere Temperaturen in Atmosphären.

Man sieht aus dieser und der vorigen Tabelle, daß die Spannkraft des gesättigten Dampfes mit steigender Temperatur in immer rascherm Verhältnis zunimmt, weil ja nicht bloß die Temperatur (die Wucht der dahinfliegenden Moleküle), sondern durch erneute Verdampfung auch die Dichte (die Anzahl der in gleichem Raum enthaltenen Moleküle) wächst. Ist bereits alle Flüssigkeit verdampft, und wird die Temperatur noch weiter gesteigert, so dehnt sich der D. der Temperaturzunahme proportional aus, oder es wächst, wenn man ihm keine Ausdehnung gestattet, sein Druck in eben diesem Verhältnis (Gay- Lussacsches Gesetz); der Raum enthält dann nicht mehr die ganze Dampfmenge, die er bei der herrschenden Temperatur aufzunehmen vermöchte, und ist daher nicht mehr gesättigt. Solchen ungesättigten D. nennt man auch überhitzt, weil seine Temperatur höher ist als diejenige gesättigten Dampfes von gleicher Spannkraft.

Das angegebene Verfahren zur Bestimmung der Spannkraft gesättigter Dämpfe wird die statische (Gleichgewichts-) Methode genannt, weil man die Höhe der Quecksilbersäule bestimmt, die der Spannkraft bei verschiedenen Temperaturen das Gleichgewicht hält. Die dynamische Methode dagegen beruht auf der Beobachtung der Siedetemperaturen bei verschiedenen Drucken. Das Innere eines geschlossenen starkwandigen Kochgefäßes wird mit einer Luftpumpe in Verbindung gesetzt, mittels deren man die Luft über der Flüssigkeit nach Belieben verdichten oder verdünnen kann. Man beobachtet nun den höchsten Stand, den ein in das Gefäß hineinragendes Thermometer jedesmal erreicht, und erfährt dadurch die zugehörige Siedetemperatur, d. h. die Temperatur, bei der die Spannkraft des Dampfes dem an einem gleichzeitig eingeschalteten Manometer abzulesenden Drucke gleich ist. Unterkühlter D., s. Dunst. Vgl. O. Lehmann, Molekularphysik, Bd. 2 (Leipz. 1889); Wiebe, Tafeln über die Spannkraft des Wasserdampfes zwischen 76 und 101,5° (Braunschw. 1894); Kahlbaum, Studien über Dampfspannkraftmessungen (Basel 1898).