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:

ein herrschendes thermodynamisches Gleichgewicht
angeglichene chemische Potentiale von Wasserdampf und flüssigem Wasser
100 % relative Luftfeuchte
Taupunktdifferenz gleich Null bzw. Temperatur gleich dem Taupunkt
Sättigungsdefizit gleich Null bzw. Dampfdruck gleich dem Sättigungsdampfdruck

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:

ρ_w,max – Sättigung über Wasser [kg/m³]
E_w – Sättigungsdampfdruck über Wasser [Pa]
E_i – Sättigungsdampfdruck über Eis [Pa]
R_w – individuelle Gaskonstante des Wassers = 461,52 J/(kg K)
T – Temperatur [K]

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

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de