Warum entstehen Kondensstreifen

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JaBoG32_Toolface
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Warum entstehen Kondensstreifen

Beitrag von JaBoG32_Toolface » 13. Mär 2018, 15:09

Warum entstehen Kondensstreifen?


In meiner Ersten Folge will ich mich diesem scheinbar trivialen Thema widmen. Eine Diskussion im ED Forum hat mir gezeigt, dass die Zusammenhänge doch komplexer sind als zunächst angenommen. Außerdem gibt es eine ganze Reihe von Begrifflichkeiten welche sich nicht ausreichend voneinander abgrenzen, und so für Verwirrung sorgen können.
Was können wir beobachten, wenn wir hochfliegende Flugzeuge am Himmel beobachten? Die Jets zeichnen lange weiße Streifen an den Himmel welche sich erst nach einiger Zeit auflösen. Genaugenommen gilt dies nicht nur für Jets. Wenn man sich alte Wochenschauberichte ansieht, dann wird man ähnliche Streifen hinter den großen Bombern finden welche mit Kolbenmotoren betrieben wurden. In beiden Fällen sieht man wie sich die Abgase der Motoren recht bald als weiße Spuren zeigen. Es muss also etwas in den Abgasen enthalten sein, was sich in kürzester Zeit in weiße Streifen umwandelt.
DC-8_View_from_above.jpg
Triebwerke und Kolbenmotoren sind Wärmekraftmaschinen welche Kohlenwasserstoffe als Energiequelle nutzen. Dabei werden CnH2n + O2 zu CO2 und H2O. Und das Wasser ist es welche die Kondensstreifen bildet. Warum bilden sich die Kondensstreifen aber nur in großer Höhe und nicht am Boden? Zwei Parameter sind in 13000m signifikant anders als auf Meereshöhe:

1. Der Luftdruck beträgt nur 19% des Luftdrucks auf Meereshöhe.
2. Die Temperatur liegt bei ca. -50°C

Wann kondensiert, oder resublimiert Wasser?

Kurz gesagt: Wasser wechselt vom gasförmigen Zustand in einen anderen, wenn der reale Gasdruck des Wassers den Dampfdruck bei gegebener Temperatur überschreitet.
Um dies zu verstehen muss ich ein paar Begrifflichkeiten klären:

-Luftdruck: Der Luftdruck ist der Druck den die Summe aller Gase in einem Volumen ausübt.
-Dampfdruck: Der Dampfdruck ist der Druck den die Gasphase eines Stoffes bei gegebener Temperatur im Gleichgewichtszustand ausübt.

Soweit zur Definition des Dampfdruckes. Aber wie bekomme ich das in ein vorstellbares Bild?
Zu Beginn nehme ich einen Behälter mit dem Volumen von einem Liter. Dieser ist vollkommen leer (Vakuum). Jetzt gebe ich einen halben Liter Wasser hinein. Nun wird sich oberhalb der Wasseroberfläche Wasserdampf ansammeln. Das geschieht so lange bis ein Gleichgewicht zwischen Verdampfung und Kondensation an der Wasseroberfläche entstanden ist. Diese beiden Prozesse laufen nämlich fortwährend ab.
Um das ganz ein wenig quantitativ zu visualisieren könnte man auf einem Fußballfeld, auf der einen Seite alle 2 m einen Fußball legen, auf der anderen Hälfte liegen alle 20m ein Fußball. Diese beiden Hälften repräsentieren die flüssige und die gasförmige Phase des Wassers. Zwischen den beiden findet ein stetiger Austausch statt.
Zurück zu unserem abgeschlossenen Behälter mit Wasser. Sagen wir das Gasförmige Wasser hätte nun bei der herrschenden Temperatur einen Druck von 200 mbar aufgebaut. Das würde heißen, dass das Wasser bei dieser Temperatur einen Dampfdruck von 200 mbar hätte. Was ändert sich, wenn ich die verbliebenen 800 mbar zum Atmosphärendruck einfach mit Luft auffülle? Es ändert sich gar nichts. Es ist so als würde ich auf der Gashälfte des Fußballfeldes noch mal alle 10 m einen Volleyball legen. Die Menge des gasförmigen Wassers, und dessen Druckanteil bleibt gleich. Der Zustand den ich jetzt hergestellt habe würde von einem Meteorologen als 100% Luftfeuchtigkeit beschrieben werden.
Und hier liegt die Krux in der Argumentation: Der Meteorologe betrachtet die Zustände in der Atmosphäre, und richtet seine Argumentation und seine Sprache auf diese Notwendigkeiten aus. Die physikalische Chemie betrachtet aber den Stoff und sein verhalten. Der Übergang von Aggregatzuständen ist aber ein stoffliches verhalten, und sollte mit der Sprache und Argumentation der physikalischen Chemie beschrieben werden. Kondensation findet sowieso nur bei 100%iger Luftfeuchtigkeit statt. Ein Raum mit Luft welche eine relative Luftfeuchte von 50% hat ist absolut Tröpfchen frei. Das ist dann auch unabhängig vom (Luft)druck.
image.jpg
Wenn ich jetzt das schon mal abgebildete Phasen Diagramm hernehme, und mir die Grenzlinie zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase betrachte, so finde ich dort eine Druckänderung mit der Temperatur. Der Druck steht dabei für den Gasdruck des verdampften Stoffs über der flüssigen Phase. Bei 100°C überschreitet der Dampfdruck den Druck der Luft die auf der Wasseroberfläche lastet. Das heißt: Es entsteht Wasserdampf nicht nur an der Oberfläche des Wassers, sondern auch am Boden des Topfes. Das Wasser kocht.
Dieser Dampfdruck lässt sich natürlich auch in eine Stoffmenge pro Kubikmeter umrechnen. Das ist dann die Stoffmenge für 100% relative Luftfeuchtigkeit. Der Meteorologische Begriff der „Sättigung“ ist somit ein wenig irreführend. Denn es ist nicht die Luft die die Feuchtigkeit hält, sondern es ist ein Nebeneinander von Luftdruck und Dampfdruck, bzw. Luft und Dampf. Das unterscheidet ein Gemisch von einer Lösung.
Wer bis jetzt durchgehalten hat sollte sich mit diesem Diagramm vertraut machen. Hier findet man die Zusammenhänge zwischen Druck und Temperatur für den Stoff Wasser aufgezeigt. Für unsere Betrachtung der Kondensstreifen sind aber nur die Linien zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase, als auch die zwischen der gasförmigen und der festen Phase, und die Fläche der gasförmigen Phase interessant. Bei den Flächen fest und flüssig ist das gesamte Volumen mit festem oder flüssigem Wasser ausgefüllt. Ein Fall der in Reiseflughöhe ausreichend selten ist.
Die Schwierigkeit beim Transfer der Umstände in der Atmosphäre auf das Phasendiagramm liegt in dem Umstand, dass das Phasendiagramm nur den reinen Stoff betrachtet. In der Atmosphäre ist der Anteil des Wasserdampfes am Gesamtluftdruck aber nur klein. Um auf das Bild des Fußballfeldes zurückzukommen: Es sind viel mehr Volleybälle als Fußbälle auf dem Feld.
Wie verhält sich nun das Wasser in und außerhalb des Triebwerks?
Das Wasser entsteht in der Brennkammer bei ca. 2500°C und sehr hohem Druck. Selbst wenn ich den Teildruck des Wasserdampfes nur mit 5% des Gesamtdruckes annehme, so ist er noch immer sehr hoch. Durch die Arbeit welche die Verbrennungsgase in der Turbine leisten muss kühlen sie deutlich ab. Die Expansion auf den Druck der Höhenatmosphäre führt zu weiterer Abkühlung. Das ist der Zustand unmittelbar hinter der Düse. Noch ist nichts außer unsichtbaren Gasen zu sehen. Durch die Durchmischung mit der Umgebungsluft kommt es nun zu einer weiteren Abkühlung bis es schließlich zur Bildung von Eiskristallen kommt. Da nun Wasserdampf in Form von Eis entnommen wird sinken Druck und Temperatur entlang der Sublimationskurve.
Zustandsdiagramm Kondensstreifen.JPG
Somit hätten wir die Entstehung von Kondensstreifen erklärt. Der Entscheidende Faktor bei der Entstehung von Kondensstreifen ist die extrem niedrige Temperatur. Der Luftdruck hat quasi keinen Einfluss.
https://youtu.be/xRPq61oTYOs
Über Alternativtheorien wie Chemtrails sollte man auf anderen Plattformen diskutieren.

Nun noch eine kleine Zusatzaufgabe:

Woher kommen die Nebel an der Oberseite von Tragflächen welche bei extremen Anstellwinkeln entstehen können?
Solche Nebel entstehen am leichtesten bei hoher Luftfeuchtigkeit. Wenn ich bei nahezu 100%iger Luftfeuchtigkeit den Druck ganz plötzlich stark verringere, dann kommt es zu zwei, in ihrer Wirkung gegenläufigen Effekten.

1. Ich wandere durch die Verringerung des Druckes auf dem Phasendiagramm mehr in Richtung der Gasphase. Somit sollte es also nicht zu Kondensation kommen.
2. Durch die Expansion kommt es zur Abkühlung (Kühlschrankeffekt) des Gases (Luft, Dampf Gemisch). Durch diesen Effekt gehe ich in dem Phasendiagramm in Richtung der Flüssigkeit.

Da der zweite Effekt stärker ist als der Erste kommt es zur Nebelbildung über den Tragflächen… In dem Gebiet stark verminderten Druckes und starker Abkühlung. Wenn sich der Druck, und damit die Temperatur der Luft hinter der Tragfläche, wieder normalisiert ist der Nebel wieder weg.
Bild

Ignis cadent de caelo.

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Re: Warum entstehen Kondensstreifen

Beitrag von JaBoG32_SNAFU » 14. Mär 2018, 08:49

Danke Tool, jetzt musst du mir nur noch eine Formel geben wie ich den Bereich der Kondensstreifenbildung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur am Boden in DCS berechnen kann. ;)

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