Luftfeuchtigkeit und Temperatur

Luftfeuchtigkeit

Die Luft ist in Abhängigkeit von ihrer Temperatur in der Lage, eine bestimmte Menge an Wasserdampf 
aufzunehmen und zu speichern.
Der in der Atmosphäre vorhandene Wasserdampfgehalt wird als Luftfeuchtigkeit bezeichnet.
Mit maximal 4 Vol % ist der Anteil des Wasserdampfes an der Atmosphäre vergleichsweise gering. 

Auch unterliegt die Feuchte beträchtlichen Schwankungen. Aufgrund der Bedeutung des Wasserdampfes
für Wetter und Klima gehört die Luftfeuchte jedoch zu den wetterwirksamsten meteorologischen Elementen. 
Gleichzeitig werden durch den Wasserdampfgehalt der Luft eine ganze Vielzahl von chemischen, physikalischen 
und biologischen Prozessen hervorgerufen oder beeinflußt, so dass der Feuchtegehalt der Umgebungsluft in 
zahlreichen Anwendungsgebieten eine wichtige Prozessgröße darstellt.

Temperatur- und Strahlungsgleichgewicht

Lufttemperatur

Die Lufttemperatur kennzeichnet den Wärmezustand der Atmosphäre. Zugleich ist sie ein Maß für die mittlere
Bewegungsenergie der Luftmoleküle. Am absoluten Temperatur-Nullpunkt befinden sich die Moleküle im völligen Bewegungsstillstand.                                                  
Die Werte der Lufttemperatur werden für gewöhnlich in °C (Celsius) angegeben, Temperaturdifferenzen immer 
in K (Kelvin). Celsius-Skala und Kelvin-Skala unterscheiden sich nur durch die Wahl des Nullpunktes. 
Es gilt: t [°C] = T [K]-273,15

Zur genauen Messung der Temperatur ist es erforderlich, dass sich Messfühler und Umgebungsluft im 
Wärmegleichgewicht befinden. In jedem thermisch abgeschlossenen System stellt sich ein solches
Wärmegleichgewicht mit der Zeit ein. Die Messung der Temperatur der Atmosphäre ist insofern mit 
Schwierigkeiten verbunden, als dass das Messergebnis durch die Einwirkung der direkten und indirekten 
Strahlung beeinflusst wird.

Der in der Meteorologie verwendete Begriff der Lufttemperatur soll daher nur die kinetische Energie der 
Luftmoleküle, nicht jedoch die Energie der Strahlung erfassen. Aus diesem Grund erfordert die Bestimmung 
der Lufttemperatur neben dem Wärmegleichgewicht auch einen wirksamen Strahlungsschutz.

Nach internationaler Vereinbarung wird die Lufttemperatur in 2 m über dem Grund gemessen. Lufttemperaturen 
sind grundsätzlich Schattentemperaturen

Feuchtemessgrößen

Zur Kennzeichnung der in der Luft enthaltenen Feuchte werden verschiedene Messgrößen herangezogen:

• Absolute Luftfeuchtigkeit
  Menge des in der Luft vorhandenen Wasserdampfes [g/kg]
  
  
• Maximale Luftfeuchtigkeit oder Sättigungsfeuchte (Naturkennlinie)
  Menge an Wasserdampf , die die Luft bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen kann (größtmöglicher 
  Wert der absoluten Luftfeuchtigkeit) [g/m³].                        
  Mit steigender Temperatur nimmt die Aufnahmefähigkeit der Luft zu.
  
  Dampfdruck
  Druck, den der in der Luft enthaltene Wasserdampf ausübt (Partialdruck als Anteil am Gesamtluftdruck) [Pa]
  
  
• Sättigungsdampfdruck (Naturkennlinie)
  Druck, den der Wasserdampf bei einer bestimmten Temperatur ausüben kann (größtmöglicher Wert des
  Dampfdruckes) [Pa]
  Da die Luft mit steigender Temperatur mehr Wasserdampf aufnehmen kann, erhöht sich mit zunehmender 
  Temperatur auch der Sättigungsdampfdruck.
  
  Sättigungsdefizit
  Differenz zwischen Sättigungsdampfdruck und Dampfdruck [Pa] bzw. zwischen maximaler und absoluter 
  Luftfeuchtigkeit [g/m³]
  
  Relative Luftfeuchtigkeit
  Verhältnis von Dampfdruck zu Sättigungsdampfdruck bzw. von absoluter zu maximaler Luftfeuchtigkeit
  [% relative Feuchte]
  
• Taupunkttemperatur
  Temperatur der Luft, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist [°C]. Die relative Luftfeuchtigkeit 
  beträgt 100%. Mit weiterer Zufuhr von Wasserdampf oder Abkühlung der Luft tritt Kondensation ein.
  
• Spezifische Feuchte
  Gewicht des Wasserdampfs in Gramm je Kilogramm feuchter Luft [g/kg]
  (Verhältnis der Massen von Wasserdampf und feuchter Luft)
  
  Mischungsverhältnis (Wassergehalt)
  Gewicht des Wasserdampfs in Gramm je Kilogramm trockener Luft [g/kg]
  (Verhältnis der Massen von Wasserdampf und trockener Luft)
  
  

Verfahren zur Messung der Luftfeuchte

Zur Messung der Luftfeuchte können unterschiedliche Messverfahren mit entsprechenden Messinstrumenten 
eingesetzt werden. Hierzu zählen unter anderem:

• Psychrometrische Feuchtemessung
  Psychrometer ermitteln anhand der Temperaturdifferenz zwischen einem trockenen und einem befeuchteten 
  Temperaturfühler die relative Luftfeuchte und basieren auf dem Prinzip des Wärmeaustausches.
  Sie bestehen jeweils aus zwei ventilierten Temperaturfühlern, wobei ein Temperaturfühler von einem 
  wassergetränkten Stoffgewebe befeuchtet wird. Durch einen vorbeigeführten Luftstrom wird der Umgebungsluft 
  in Abhängigkeit von ihrer Temperatur und ihrem Feuchtegehalt eine bestimmte Menge an Wasserdampf zugeführt;
  der befeuchtete Temperaturfühler kühlt sich durch die Verdunstung ab.
  Der Temperaturunterschied [psychrometrische Temperaturdifferenz] zwischen den beiden Temperaturfühlern
  ist ein Maß für die in der Luft vorhandene relative Feuchte. Gleichzeitig können anhand von Psychrometertafeln 
  auch die absolute Feuchte, die Taupunkttemperatur und der Dampfdruck bestimmt werden.
  
  
• Hygrometrische Feuchtemessung
  Hygrometer und Hygrographen dienen der Messung der relativen Luftfeuchte und beruhen auf den 
  hygroskopischen Eigenschaften von Haaren und speziell behandelten synthetischen Fasern, die sich 
  mit zunehmender Luftfeuchte ausdehnen. Die feuchteabhängige Längenänderung wird mit Hilfe einer feinen 
  Mechanik auf einen Zeiger oder Schreibhebel übertragen.
  Im Gegensatz zum Haar kann die synthetische Faser bei wesentlich höheren Temperaturen 
  [Temperaturbereich 0 bis +110 °C] eingesetzt werden und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzung.
  Aus diesen Gründen werden Hygrometer und Hygrographen mit einem synthetischen Meßelement vorwiegend für        Feuchtemessungen im industriellen Bereich eingesetzt.     
  Das hygrometrische Funktionsprinzip kommt auch bei Hygrogebern und Hygrostaten zur Anwendung, bei denen die        
  feuchteabhängige Längenänderung in Widerstands-/Strom-/Spannungssignale gewandelt bzw. zur Betätigung eines            Schaltkontaktes genutzt wird.                    
  
  
• Kapazitive Feuchtemessung
  Kapazitive Feuchtemessfühler [Feuchtesensoren] beruhen auf der feuchteabhängigen Änderung der Kapazität eines              Kondensators mit einem dünnen Polymerfilm als Dielektrikum, der auf einer stabilen Glasträgerplatte aufgebracht wird.     
  In Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte werden von dem Polymerfilm Wassermoleküle aufgenommen bzw.            
  abgegeben. Dies verändert die dielektrischen Eigenschaften des Polymerfilmes und somit die Kapazität des           
  Kondensators.Die Kapazitätsänderung ist proportional zur Änderung der relativen Feuchte. Sie wird durch eine                         nachgeschaltete Elektronik in ein normiertes Ausgangssignal gewandelt.
  Die kapazitiven Feuchtesensoren reagieren sehr schnell auf Feuchteänderungen und können teilweise im                
  Temperaturbereich von -40 bis +180 °C eingesetzt werden. Die Meßgenauigkeit liegt zwischen ±2 und ±5 %               
  relative Feuchte.
  

  h-x-Diagramm

  Der Zusammenhang zwischen Temperatur, Wassergehalt und Relativer Feuchte ist im h-x-Diagramm                                
  (Molliersches Diagramm) dargestellt.