Siedepunkt von Wasser im Vakuum: Rechner und Dampfdrucktabelle

Wasser siedet, wenn sein Dampfdruck so groß ist wie der Druck darüber. Senkt man den Druck, sinkt die Siedetemperatur: Bei 1013,25 mbar (Normaldruck) liegt sie bei 99,97 °C, bei 200 mbar bei 60,1 °C, bei 100 mbar bei 45,8 °C, bei 50 mbar bei 32,9 °C und bei 10 mbar bei 7,0 °C.

Dieselbe Kurve lässt sich auch andersherum lesen: Der Dampfdruck bei einer Temperatur ist der Druck, bei dem Wasser dieser Temperatur siedet. Wasser von 20 °C hat einen Dampfdruck von 23,4 mbar. Sinkt der Druck in einem Behälter unter diesen Wert, beginnt Wasser von Raumtemperatur zu sieden.

Alle Drücke sind Absolutdrücke. Zeigt ein Manometer den Druck relativ zur Umgebung an, rechnen Sie ihn zuerst in den Absolutdruck um. Druckeinheiten wandelt der Einheitenrechner um; weitere Rechner finden Sie in der Übersicht der Rechner.

Siedetemperatur von reinem Wasser für gängige Absolutdrücke. Unter dem Tripelpunktdruck von 6,11657 mbar gibt es kein stabiles flüssiges Wasser; die letzten Zeilen nennen deshalb die Temperatur, bei der Eis bei diesem Druck sublimiert.

Berechnet mit den Gleichungen der IAPWS (siehe Quellen) und gerundet. 1 Torr = 1/760 der Normatmosphäre = 1,33322 mbar.

Dampfdruck von −40 °C bis 200 °C. Unter 0,01 °C steht in der Tabelle der Sublimationsdruck von Eis, darüber der Dampfdruck von flüssigem Wasser.

Bei 0 °C hat unterkühltes, noch flüssiges Wasser einen etwas höheren Dampfdruck als Eis: 6,1121 mbar statt 6,1115 mbar. Über 99,97 °C ist der Dampfdruck höher als der Normaldruck: Flüssig bleibt Wasser dort nur unter Überdruck, wie im Dampfkessel.

Das Diagramm zeigt den Druck logarithmisch über der Temperatur. Links vom Tripelpunkt liegt die Sublimationskurve von Eis, rechts die Siedekurve von Wasser. Oberhalb der Kurven ist Wasser fest oder flüssig, unterhalb gasförmig.

Am Tripelpunkt bei 0,01 °C und 6,11657 mbar stehen Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf im Gleichgewicht. Bei kleineren Drücken gibt es kein stabiles flüssiges Wasser: Eis geht direkt in Dampf über. Diesen Übergang nennt man Sublimation.

Darauf beruht die Gefriertrocknung. Das gefrorene Produkt steht unter einem Druck, der kleiner ist als der Sublimationsdruck seines Eises, zum Beispiel unter 1,03 mbar bei −20 °C oder unter 0,13 mbar bei −40 °C. Der Dampf strömt zu einer noch kälteren Fläche, dem Kondensator, und friert dort wieder aus. Die Wärme für die Sublimation muss von außen zugeführt werden, sonst kühlt das Produkt weiter ab und die Trocknung wird langsamer.

Für diesen Bereich verwendet der Rechner die IAPWS-Gleichung für den Sublimationsdruck von Eis (gültig ab 50 K, also −223,15 °C).

Bei Normaldruck (1013,25 mbar = 760 Torr) siedet reines Wasser bei 99,974 °C, also 373,124 K. Dieser Wert gilt auf der heute gültigen Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) und steht in den Tabellen der IAPWS. Die 100 °C sind ein gerundeter Wert.

Umgekehrt hat Wasser bei genau 100 °C einen Dampfdruck von 1014,18 mbar. Im Alltag spielt der Unterschied von 0,026 K keine Rolle, bei genauen Messungen schon. Wichtiger ist der Luftdruck: Wo er niedrig ist, etwa im Gebirge, siedet Wasser deutlich unter 100 °C. Den Wert für Ihren Druck zeigt der Rechner oben.

Vakuumtrocknung

Im Vakuum verdampft Wasser bei niedriger Temperatur: Bei 50 mbar siedet es schon bei 32,9 °C. So lassen sich wärmeempfindliche Produkte schonend trocknen. Die Verdampfungswärme muss trotzdem zugeführt werden: Ohne Heizung kühlt das Gut ab, bis sein Dampfdruck dem Druck in der Kammer entspricht.

Entgasen von Flüssigkeiten

Beim Entgasen sollen gelöste Gase austreten, nicht das Wasser selbst verdampfen. Sobald der Druck den Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht, bei Wasser von 20 °C etwa 23,4 mbar, beginnt das Wasser zu sieden, und es entsteht viel Dampf, den die Vakuumpumpe dann abführen muss.

Destillieren und Eindampfen

Im Vakuum sinkt die Siedetemperatur: Bei 100 mbar siedet Wasser bei 45,8 °C, bei 200 mbar bei 60,1 °C. Das schont Produkte, die hohe Temperaturen nicht vertragen.

Wasserdampf in der Vakuumpumpe

Eine Vakuumpumpe, die in die Atmosphäre ausstößt, verdichtet das angesaugte Gas bis über den Atmosphärendruck. Dabei kondensiert Wasserdampf, sobald sein Teildruck den Dampfdruck bei der Temperatur in der Pumpe erreicht. In ölgeschmierten Drehschieberpumpen vermischt sich das Kondensat mit dem Öl. Mit Gasballast strömt während der Verdichtung zusätzlich Luft ein: Das Gasgemisch erreicht den Ausstoßdruck, bevor der Wasserdampf seinen Sättigungsdruck erreicht, und der Dampf wird ausgestoßen statt zu kondensieren. Wie viel Dampf eine Pumpe so verträgt, geben die Hersteller als Wasserdampfverträglichkeit in mbar an.

Flüssigkeitsringpumpen arbeiten mit einer Betriebsflüssigkeit, meist Wasser. Der erreichbare Ansaugdruck liegt zwischen dem Atmosphärendruck und dem Dampfdruck dieser Flüssigkeit. Wasser von 15 °C hat einen Dampfdruck von 17,1 mbar; der in der Praxis erreichbare Druck liegt darüber. Ein Kondensator vor der Pumpe kann den Dampf abscheiden, bevor er die Pumpe erreicht.

Mehr dazu: ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen, Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen, Schrauben-Vakuumpumpen und die Übersicht aller Vakuumpumpen. Bei Fragen zu einer Anwendung mit viel Wasserdampf sprechen Sie uns an.

Für flüssiges Wasser zwischen 0,01 °C und 373,946 °C verwendet der Rechner die Sättigungsgleichungen der Industrie-Formulierung IAPWS-IF97 (Gleichungen 30 und 31). Beide Richtungen stammen aus derselben Gleichung und passen exakt zueinander. Sie geben den Tripelpunkt (273,16 K; 611,657 Pa), den Normalsiedepunkt und den kritischen Punkt (647,096 K; 22,064 MPa) wieder.

p_s = 1 MPa · (2C / (−B + √(B² − 4AC)))⁴ mit A = ϑ² + n₁ϑ + n₂, B = n₃ϑ² + n₄ϑ + n₅, C = n₆ϑ² + n₇ϑ + n₈ und ϑ = T/K + n₉ / (T/K − n₁₀)

Unter dem Tripelpunkt rechnet er mit der IAPWS-Gleichung für den Sublimationsdruck von Eis Ih (Release R14-08, gültig von 50 K bis 273,16 K). Für die Umkehrung, vom Druck zur Temperatur, wird diese Gleichung numerisch gelöst.

ln(p_subl / 611,657 Pa) = θ⁻¹ · (a₁θ^b1 + a₂θ^b2 + a₃θ^b3) mit θ = T / 273,16 K

Genauigkeit: Die IAPWS gibt für die Sättigungsdruckgleichung eine Unsicherheit von höchstens etwa ±0,05 % an (IAPWS-IF97, Abb. 6). Für den Sublimationsdruck beträgt die erweiterte Unsicherheit am Tripelpunkt 0,0011 %, bei −20 °C etwa 0,08 % und bei −40 °C etwa 0,17 %. Der Rechner zeigt sechs signifikante Stellen; die letzten davon gehen über die Genauigkeit der Gleichungen hinaus.

Gegenprobe: Die Dampfdruckgleichung von Wagner und Pruß (IAPWS SR1-86) weicht zwischen 0,01 °C und 100 °C höchstens 0,010 % von IF97 ab, im ganzen Bereich bis zum kritischen Punkt höchstens 0,018 % (bei 187 °C). Das entspricht höchstens 0,008 K in der Siedetemperatur.

Prüfwerte: Vor dem Runden auf sechs Stellen stimmt die Berechnung auf alle veröffentlichten Stellen mit den Prüfwerten der IAPWS überein, zum Beispiel 3,53658941 kPa bei 300 K (angezeigt: 3,53659 kPa), 372,755919 K bei 0,1 MPa = 1 bar (angezeigt: 372,756 K) und 8,94735 Pa über Eis bei 230 K.

1. IAPWS R7-97(2012): Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam (IAPWS-IF97). Abschnitt 8, Gleichungen (29) bis (31), Tabellen 34 bis 36, Abb. 6; Tripelpunkt Gleichung (9), kritischer Punkt Gleichungen (2) und (3). iapws.org
2. IAPWS R14-08(2011): Revised Release on the Pressure along the Melting and Sublimation Curves of Ordinary Water Substance. Gleichungen (1) und (6), Tabelle 3, Abb. 2 und Gleichung (7a). iapws.org
3. IAPWS SR1-86(1992): Revised Supplementary Release on Saturation Properties of Ordinary Water Substance (Wagner und Pruß). Gleichung (1) und Tabelle 1, Normalsiedepunkt 373,1243 K bei 0,101325 MPa. iapws.org
4. NIST Special Publication 811 (Ausgabe 2008), Anhang B.8: bar, mbar und Normatmosphäre (exakte Faktoren); Tabelle 11: 1 Torr = (101 325/760) Pa; Abschnitt 4.2.1.1: Celsius-Temperatur t = T − 273,15 K. nist.gov
5. Leybold, Fundamentals of Vacuum Technology: What is a gas ballast and how does it work? Gasballast, Kondensation von Wasserdampf in ölgeschmierten Pumpen, Wasserdampfverträglichkeit in mbar. leybold.com
6. Atlas Copco: Liquid ring vacuum pump working principle. Erreichbarer Ansaugdruck zwischen Atmosphärendruck und Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit. atlascopco.com