Waterdamp

Wat is waterdamp?

Zoals het woord al aangeeft is het de damp van water, de gas fase.
Naast de gas fase zijn er de vloeibare fase: water en de vaste fase: ijs.

Het water molecuul heeft als formule H2O, dus 2 atomen waterstof (H2) en 1 atoom zuurstof (O).

Kenmerken.

  • Waterdamp is kleurloos en reukloos
    bij 0°C en een druk van 101,325 kPa (=zeeniveau)) is volgens de wet van Avogadro de massa 800 g/m3 dus iets lichter dan lucht 1,29 kg/m3, maar dit is in feite onzin omdat bij die temperatuur en druk er nauwelijks waterdamp is. Daarom wordt voor waterdamp de massa bij 100°C gebruikt: 589 g/m3 ,lucht is dan 946 g/m3;
  • bij het condenseren komt er warmte vrij, bij kamertemperatuur ongeveer 45 kJ/kg;
  • als waterdamp condenseert wordt het water, eerst kleine druppeltjes (mist en wolken), later regen.
    Het volume waterdamp is dan teruggebracht tot bijna niets meer. Mist, rook en wolken worden vaak ten onrechte waterdamp genoemd. Wat wij zien zijn de druppeltjes gecondenseerde waterdamp (water);
  • waterdamp absorbeert nauwelijks het zichtbare licht, maar wel warmtestraling, ook de teruggekaatste warmte van de aarde.

Water is bepalend voor ons leven.

  • Wij bestaan zelf voor 66% uit water;
  • als de lucht die wij inademen geen waterdamp zou bevatten dan drogen we uit;
  • bij elke uitademing verdampt er water via de longen. Al met al ademen we elke minuut ongeveer 22 mg waterdamp meer uit dan er in de ingeademde lucht zat (bij 70% vochtigheid). Voor de 11 miljard mensen op aarde is dat samen 242 ton (=242000kg) waterdamp elke minuut of 348480 ton waterdamp per dag……;
  • wij moeten dagelijks een paar liter water binnen krijgen om deze verdamping op te heffen;
  • het aardoppervlak bestaat voor 75% uit water.

Hoe ontstaat waterdamp?

  • Water verdampt bij elke temperatuur, het hoeft niet per se te koken. Dus boven alle zeeën, rivieren, meren en ander water ontstaat waterdamp en zelfs boven ijs;

    zee
    Water verdamping boven de zee
  • koken van water is het verhitten van water tot een temperatuur waarbij al het water in de dampvorm overgaat, dat is op zeeniveau bij 100°C;
  • bij elke uitademing blazen mensen waterdamp uit. Alle ademende dieren doen dat ook, de hoeveelheden hangen af van de longinhoud;
  • elke keer dat we de was te drogen hangen komt er waterdamp in de lucht;
  • bij alle verbrandingsprocessen ontstaat waterdamp: fabrieken, centrales, maar ook auto’s en vliegtuigen. Eigenlijk bij alle processen waarbij ook CO2 vrijkomt. In een hoog-rendement CV-ketel wordt de condensatiewarmte benut om de verbrandingslucht op te warmen. Onder de hoog-rendement CV-ketel zit er daarom een aansluiting naar het riool om het gecondenseerde water af te voeren. Een klein deel van de waterdamp condenseert niet en gaat vij de lucht in. Dat is ‘s-winters te zien aan de witte pluimen uit de CV-afvoeren op de daken.
  • Ook bij alle processen waar veel water aan de lucht gekoeld moet worden om warmte kwijt te raken ontstaat waterdamp denk aan koeltorens. De dikke witte wolken die bij plaatjes van atoomcentrales te zien zijn boven die getaileerde koeltorens.
    koeltoren
    Water verdamping in een koeltoren

    In die koeltorens valt heet water als een soort regen naar beneden, waardoor de druppeltjes hun warmte kwijt raken. De waterdamp condenseert zodra hij bovenin de koeltoren is, vandaar die witte pluim. Het heeft helemaal niets met kernenergie of kolencentrales te maken.

Wat is relatieve vochtigheid?

Droge lucht bestaat voor bijna 79% uit stikstof, 21% uit zuurstof, 0,03% kooldioxyde en nog een heel klein beetje argon. Afhankelijk van de temperatuur en het plaatselijke weer bevat de gewone omgevings lucht ook nog eens ongeveer 2% waterdamp.

Lucht kan bij elke temperatuur een bepaalde maximum hoeveelheid waterdamp bevatten, meestal zit er minder dan dit maximum in de lucht. De verhouding tussen wat de lucht maximaal kan bevatten en wat er werkelijk in zit is de relatieve vochtigheid, meestal aangegeven met de letters RH van “Relative Humidity” en uitgedrukt in %.

De natuurkundige Richard Mollier (1863-1935) heeft deze relatie samen met de warmteinhoud en het gewicht in een grafiek vastgelegd, tegenwoordig bekend als het naar hem genoemde Mollier diagram of ook wel een psychrometer grafiek. Hierin staan allerlei grootheden, zoals droge en natte temperatuur (zie hierna), luchtdruk, vochtgewicht en dampdruk.

In ons klimaat is een relatieve vochtigheid van 70% normaal, dat wil zeggen dat de lucht maar 70% van de maximale hoeveelheid waterdamp bevat.

Het meten van de luchtvochtigheid.

Het vochtgehalte van de lucht wordt gemeten met een hygrometer, meestal onnauwkeurig, soms heel precies.

Zelf het vochtgehalte van de lucht meten kan met een gewone thermometer, een kwikthermometer is ideaal, een spiraal is niet geschikt en een electronische meter eigenlijk ook niet. Meet nauwkeurig de temperatuur, maar hou de meter niet dicht bij het lichaam omdat het lichaam warmte straalt. En noteer die temperatuur.

Neem een velletje keuken-papier of een propje watten, maak dat sluitend om de opnemer en maak dat vochtig (niet drijfnat). Zorg dat er bij het meten een luchtstroom langs de voeler gaat, bijvoorbeeld door met een waaier te wapperen. Het water op het papiertje zal verdampen en daarbij warmte aan de voeler onttrekken waardoor de temperatuur daalt.

Lees deze verlaagde temperatuur af en bepaal met onderstaande grafiek wat de luchtvochtigheid is.

De natuur “meet” ook de vochtigheid: een dennen appel bijvoorbeeld gaat open als het droog is waardoor de zaden met de wind meegevoerd kunnen worden.

Warmte absorbtie door waterdamp

Absorberen betekent sneller trillen van de moleculen en dat is hetzelfde als “warmer” worden.

Voor het klimaat heeft waterdamp een heel grote invloed en dit kan zelfs leiden tot klimaatverandering. Waterdamp absorbeert namelijk heel goed de warmtestraling van de zon en ook van de warmte uitstraling door de aarde, waardoor het als een soort warme deken om de aarde hangt. In tegenstelling tot wat algemeen wordt beweerd is niet kooldioxyde maar waterdamp het broeikasgas!

In de grafiek hieronder begint de absorptie bij 700 nanometer, dat is net het infrarode stralingsgebied. Boven 10.000 nanometer absorbeert waterdamp alle straling. Dit zijn de golven in de magnetron, vandaar dat waterhoudend voedsel in de magnetron heet wordt.

H2O
Absorbtie van waterdamp
zon
infraroodstraling van de zon

Het warmtespectrum van de zon loopt na 700 nm af naar 2000 nm zoals in bovenstaande grafiek is te zien.

Warmtehuishouding in de atmosfeer.

In onderstaande lijst zijn diverse processen aangegeven die betrekking hebben op het verdampen en condernseren van waterdamp en dus op opwarming of afkoeling:

  • Waterdamp ontstaat altijd door verdamping van water, zee en ijs. En ook door de verdamping door planten.
  • Door ademhaling van mensen en dieren en door menselijke activiteiten, zoals was drogen of water koken komt er ook waterdamp vrij. Omdat de mensheid de laatste 150 jaren heel sterk groeit komt er dus ook extra veel waterdamp in de lucht.
  • Als organische stoffen verbranden, dan komt er behalve kooldioxyde ook waterdamp vrij: aardgas, olie, kolen, hout, papier, houtskool, dus ook uit auto’s, fabrieken, vliegtuigen en nergiecentrales!
  • Er komt een moment dat de waterdamp in de lucht condenseert tot wolken. Het is dan geen broeikasgas meer, maar er komt dan wel ineens heel veel warmte in de lucht vrij door de condensatiewarmte.
  • Daarna is er een evenwicht tussen verdampen en weer condenseren. Hoewel de tot waterdamp verdampte wolken dan wel weer een broeikasgas zijn! Er komt een moment waarop de waterdamp in de lucht condenseert tot wolken en uiteindelijk op aarde uitregent. Hierbij komt de condensatie warmte direct in de lucht vrij.
  • Pas als de wolk op aarde terug is door regen, mist, sneeuw of hagel is de kringloop dicht: de waterdamp heeft als broeikasgas de lucht verwarmd en heeft bij het condenseren extra warmte als een soort visitekaarte aan de lucht afgegeven .

De condensatie van waterdamp en de verdamping van water in de wolken zorgen voor een warmtetransport in de atmosfeer.

Het kooldioxyde gehalte in de atmosfeer neemt toe, zie kooldioxyde. Waterdamp is constant aanwezig in de atmosfeer en als er te veel is “regent” het er wel weer uit, maar als er constant iets te veel waterdamp in de atmosfeer is zal de temperatuur van de atmosfeer stijgen, waardoor er nog meer waterdamp kan worden opgenomen. Waterdamp heeft dus een versterkend effect op de veranderingen van het klimaat.

Beperken van uitstoot van waterdamp.

Hoe kunnen we de extra uitstoot van waterdamp beperken? Zoals we hiervoor al hebben gelezen ontstaat waterdamp bijna altijd gelijk met kooldioxyde. Door de “jacht” op kooldioxyde wordt vanzelf ook de uitstoot van waterdamp verminderd.

De kooldioxyde is onschuldig, maar is wel een indicatie van de waterdamphuishouding.

Dus: kooldioxyde omlaag, dan gaat de waterdamp ook omlaag!