Sättigung (Physik)

Sättigung (Physik)

Von Sättigung spricht man in der Physik und Chemie, wenn ein Stoff, Körper oder ein Feld eine solch große Menge eines anderen aufgenommen hat, dass eine weitere Aufnahme unter den gegebenen Bedingungen zu einem energetisch ungünstigeren Zustand führen würde.

Dieser ungünstigere Zustand kann sich bei stofflichen Systemen wie Lösungen, Schmelzen oder Gasen spontan abbauen, besonders beim Vorliegen der hierbei hilfreichen Kristallisations- (sog. Impfkristalle) oder Kondensationskeime. Bei deren Fehlen kann dieser Zustand jedoch auch längerfristig als Übersättigung bestehen bleiben.

Sättigung von Flüssigkeiten

Ist in einer Flüssigkeit ein Stoff gelöst, so bezeichnet man diese als Lösungsmittel und das resultierende Gemisch als Lösung. Maßgeblich für die Sättigung ist dabei die Löslichkeit des Stoffes im Lösungsmittel. Ist die höchstmögliche Menge des Stoffes gelöst, so spricht man von einer gesättigten Lösung und bezeichnet die entsprechende Konzentration des Stoffes als Sättigungsmenge bzw. Sättigungskonzentration. Diese Sättigungsmenge ist dabei abhängig von der Art des Lösungsmittels und der Temperatur. Durch weitere Stoffzugabe kann sie nicht überschritten werden, der überschüssige Stoff verbleibt stattdessen als eigene Phase (z. B. als Feststoff) in der Flüssigkeit. Eine Überschreitung dieser Grenze ist dennoch möglich, z. B. durch Absenken der Temperatur einer zuvor gesättigten Lösung. In diesem Fall spricht man von einer übersättigten Lösung, siehe oben.

Sättigung von Gasen am Beispiel des Wasserdampfs

Sättigungsdiagramm von Wasserdampf

Wasserdampf ist dann gesättigt, wenn er nicht mehr fähig ist, seine eigene Konzentration in der Luft weiter zu erhöhen, da diese schon die maximale Luftfeuchtigkeit mit sich trägt. Synonym verwendbare Begriffe für die Sättigung des Wasserdampfs sind:

Durch das Abkühlen der Luft unter den Taupunkt, ohne dass dabei Kondensation (Nebel, Wolke) eintritt, kommt es zu einer Übersättigung. Grund hierfür ist das Fehlen von Kondensationskeimen, also Aerosolen wie etwa Staub- oder Eispartikel. Da in der Regel jedoch meist Kondensationskeime vorhanden sind, treten in der Erdatmosphäre kaum Übersättigungen von mehr als einem Prozent auf. Die Tabelle weiter unten enthält einige beispielhafte Werte zur Sättigungsmenge des Wasserdampfs als Funktion der Temperatur aus D. Sonntag (1982). Es muss hierbei aufgrund der unterschiedlichen Werte des Sättigungsdampfdrucks unter einer Temperatur von 0 °C danach unterschieden werden, ob eine Wasser- oder eine Eisoberfläche vorliegt. Man bezeichnet die Sättigungsmenge oder auch Sättigungskonzentration des Wasserdampfes ferner als maximale Luftfeuchte. Diese kann man mit folgenden Formeln berechnen:

Über Wasser:

$ \rho_{w, max} = \frac{E_w}{R_w \cdot T } \qquad \qquad \mathrm{in} \qquad \qquad \mathrm{\frac{kg}{m^3}} $
$ 273{,}15 \, \mathrm{K} \; \leq \;T\; \leq \; 373{,}15 \, \mathrm{K} $

Über Eis:

$ \rho_{i, max} = \frac{E_i}{R_w \cdot T } \qquad \qquad \mathrm{in} \qquad \qquad \mathrm{\frac{kg}{m^3}} $
$ 173{,}15 \, \mathrm{K} \; \leq \;T\; \leq \; 273{,}15 \, \mathrm{K} $

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

Sättigungswerte der absoluten Luftfeuchte
Temperatur in °C Sättigungsmenge über Wasser in g/m³ Sättigungsmenge über Eis in g/m³
−100 4,5436 · $ 10^{-5} $ 1,7465 · $ 10^{-5} $
−95 1,1432 · $ 10^{-4} $ 4,5752 · $ 10^{-5} $
−90 2,7247 · $ 10^{-4} $ 1,1373 · $ 10^{-4} $
−85 6,1778 · $ 10^{-4} $ 2,6939 · $ 10^{-4} $
−80 1,3378 · $ 10^{-3} $ 6,1013 · $ 10^{-4} $
−75 2,7765 · $ 10^{-3} $ 1,3260 · $ 10^{-3} $
−70 5,5406 · $ 10^{-3} $ 2,7735 · $ 10^{-3} $
−65 0,010661 0,005598
−60 0,019832 0,010930
−55 0,035750 0,020692
−50 0,062584 0,038056
−45 0,10661 0,068124
−40 0,17702 0,11890
−35 0,28700 0,20265
−30 0,45501 0,33776
−25 0,70640 0,55127
−20 1,0753 0,88211
−15 1,6068 1,3854
−10 2,3596 2,1380
−5 3,4086 3,2449
−4 3,6619 3,5205
−3 3,9316 3,8172
−2 4,2187 4,1363
−1 4,5239 4,4794
0 4,84843 4,84795
1 5,19317
2 5,55921
3 5,94766
4 6,35967
5 6,79642
6 7,25917
7 7,74919
8 8,26783
9 8,81648
10 9,39658
11 10,0096
12 10,6572
13 11,3408
14 12,0623
15 12,8232
16 13,6254
17 14,4707
18 15,3611
19 16,2984
20 17,2848
21 18,3224
22 19,4132
23 20,5596
24 21,7638
25 23,0283
26 24,3554
27 25,7477
28 27,2079
29 28,7385
30 30,3424
35 39,5623
40 51,0726
45 65,3114
50 82,7730
55 104,011
60 129,642
65 160,344
70 196,863
75 240,011
80 290,669
85 349,782
90 418,369
95 497,511
100 588,359

In Anwendungen wie Bauphysik, Trocknung, Meteorologie wird anstelle der Sättigungsmenge zumeist der in obigen Formeln auftretende Sättigungsdampfdruck als Maß für die maximale Luftfeuchte verwendet – vgl. Feuchtemaße. Die Formeln beruhen auf der allgemeinen Gasgleichung (vgl. Dampfdruck).

Sättigung der Magnetisierung (ferro)magnetischer Stoffe

Beim Magnetisieren von z. B. Eisen tritt Sättigung ein, wenn alle Elementarmagnete innerhalb eines Eisenkerns ausgerichtet sind. Man spricht in diesem Fall von Sättigungsmagnetisierung.

Literatur

D. Sonntag, D. Heinze: Sättigungsdampfdruck- und Sättigungsdampfdichtetafeln für Wasser und Eis. 1. Aufl., VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1982


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