Physikalisch-chemische Eigenschaften der Luft

Luft ist ein Gasgemisch mit einer Normdichte von 1,293 g/1 (0°C, 1,013 bar), das in dtin – ner Schicht farblos ist. Die Normdichte der Luft lasst sich naherungsweise aus den Norm – dichten der beiden Hauptbestandteile Sauerstoff (p = 1,43 g/1) und Stickstoff (p = 1,25 g/1) unter Berucksichtigung ihrer Volumenanteile berechnen. Es ergibt sich der Ausdruck: p(Luft) = 0,78 • 1,25 + 0,21 • 1,43 = 1,28 g/1.

Die spezifische Warmekapazitat, friiher auch als spezifische Warme bezeichnet, besitzt das Symbol cp (Index p steht fiir konstanten Druck). cp von Luft ist mit einem Wert von 1010 J/kg • К etwa 2- bis 4-mal so groB wie cp von Metallen (z. B. Cu 381 J/kg • K, Fe 450 J/kg • К und Ag 230 J/kg • K), betragt aber nur etwa ein Viertel vom Wert des Wassers (4180 J/kg • K). Unter der spezifischen Warmekapazitat versteht man die Warmemenge, die benotigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1°C zu erwarmen. Wird also einem Kilogramm Wasser eine Energie von 4180 Joule zugefiihrt, so erhoht sich die Wassertemperatur um 1°C. Als Einheit ist auch J/ kg • °С gebrauchlich.

Luft besitzt ein aufierst geringes Warmeleitvermogen. Das spezifische Warmeleitvermogen eines Stoffes wird durch die Warmeleitfahigkeit Л (auch: Warmeleitzahl) charakterisiert. Die Warmeleitfahigkeit gibt an, welche Warmemenge pro Stunde durch 1 m2 einer Schicht des Stoffes stromt, wenn das Temperaturgefalle in Richtung des Warmestroms 1 K/m be­tragt. Die Einheit der Warmeleitfahigkeit lautet W/m-K bzw. W/cm-K, weiterhin ge­brauchlich sind die Einheiten J/cm-s-K bzw. J/m-h-K. Die Warmeleitfahigkeit fiir Luft be­tragt 0,025 W/m-K (Vergleich: Cu 400, A1 237, Fe 81, flussiges H20 0,59, Glas 0,7…1,4; Argon 0,0177; Krypton 0,0095; Ziegelmauerwerk 0,4…1,2; Betonbauteile 0,4…1,4 und Warmedammstoffe 0,03…0,15; alle Werte in W/m-K).

Luft kann in Abhangigkeit von der Temperatur unterschiedliche Mengen an Wasserdampf aufnehmen, die als Luftfeuchtigkeit oder Luftfeuchte bezeichnet werden. Den Hochstge – halt an Wasserdampf in einem Kubikmeter Luft bei einer bestimmten Temperatur T, ge – messen in g/m3, bezeichnet man als Sattigungsgehalt (auch: Sattigungskonzentration).

Unter der absoluten Luftfeuchtigkeit versteht man die Masse an Wasserdampf in Gramm, die bei der Temperatur T tatsachlich in 1 m3 Luft enthalten ist. Dagegen versteht man unter der relativen Luftfeuchtigkeit das Verhaltnis von absoluter Luftfeuchtigkeit zum Satti­gungsgehalt. Sie wird in Prozent angegeben. Abb. 5.1 zeigt die Temperaturabhangigkeit der Sattigungskonzentration. Als Faustregel gilt fiir den unteren Temperaturbereich:

10°C ~ 10gH2Oprom3 bzw. 30°C ~ 30g H20 pro m3 Luft.

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—► Temperatur (°С)

Abbildung 5.1 Wasserdampf-Sattigung der Luft in Abhangigkeit von der Temperatur.

Die technische Gewinnung der Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff er – folgt uberwiegend durch Luftverfliissigung (Linde-Verfahren) und anschlieBende fraktio – nierte Destination. Beim Linde-Verfahren macht man sich den Joule-Thomson-Ejfekt zu – nutze: Komprimierte Gase ktihlen sich beim Ausdehnen ab. Bei der Expansion wird Arbeit gegen die intermolekularen Anziehungskrafte zwischen den Gasteilchen geleistet. Die dazu notwendige Energie wird der inneren Energie des Gases entnommen. Die Folge ist eine Abnahme der kinetischen Energie und damit der Temperatur des Gases. Nachdem die Luft von Staub und C02 gereinigt ist, wird sie auf etwa 50 bar komprimiert und anschlieBend uber ein Drosselventil entspannt. Die Temperatur emiedrigt sich. Indem man die nun abge – ktihlte Luft im Gegenstromverfahren zur Vorklihlung der nachfolgenden komprimierten Luft einsetzt, erreicht diese nach der Expansion noch tiefere Temperaturen. Wahrend des ablaufenden Kreisprozesses erfolgt eine standige Tieferkuhlung bis schlieBlich eine Ver – fliissigung eintritt.

Mit Beginn der 80iger Jahre kam eine Technologie zur Abtrennung von Luftstickstoff auf den Markt (Air Liquide/Pont de Nemours), die die geringere Diffusionsgeschwindigkeit der Stickstoffmolekule im Vergleich zu 02 und C02 durch eine Hohlfasermembran aus – nutzt. Mittels eines Kompressors wird Druckluft erzeugt, gereinigt und in Module ge – driickt, in denen Hohlfasermembranen enthalten sind. Die N2-Molekiile diffundieren beim Durchstromen der Hohlfasem langsamer durch die feinen Poren der Faserwand (< 100 pm), als die 02-Molekiile. Kleine Mengen anderer Molekule wie C02 oder H20 (Rest- feuchte) durchdringen die Membran ebenfalls schnell. Am Ende des Moduls wird trocke – ner Stickstoff mit einer Reinheit von 90…99,9% gewonnen.

Flussige Luft besitzt eine Temperatur von etwa -192°C und eine Dichte von 0,9 g/cm3. Bei langerem Stehen nimmt sie eine blauliche Farbe an, da der farblose Stickstoff mit seinem tieferen Siedepunkt (-196°C) schneller absiedet als Sauerstoff (Sdp. -183°C).