Beim Ballonfahren haben wir es mit Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen zu tun. Uns interessieren jetzt vor allem die Stoffe, mit denen wir es in den verschiedenen Aggregatzuständen zu tun haben.

Frage1: Mit welchen Stoffen haben wir es beim Ballonfahren in mindestens zwei verschiedenen Aggregatzuständen zu tun?

Den Übergang vom festen zum flüssigen Aggregatzustand nennt man schmelzen. Um einen Feststoff wie Eis zu schmelzen, muss Wärme hinzugeführt werden, der Feststoff muss erwärmt werden. Der Feststoff kann erwärmt werden,

• dadurch, dass der Festkörper Strahlung ausgesetzt ist, beispielsweise der Sonnenstrahlung.
• durch direkte Wärmeleitung von einem Medium zum anderen.
• durch Konvektion eines umgebenden Mediums, dass die Energie dann wiederum bei Kontakt mit der Oberfläche des Feststoffes durch direkte Wärmeleitung überträgt.
• dadurch dass Druck auf den Körper ausgeübt wird, er komprimiert wird.

Den Übergang vom flüssigen zum festen Aggregatzustand nennt man gefrieren, es wird Wärme frei. Um die Flüssigkeit abzukühlen, gibt es folgende Möglichkeiten:

Durch direkte Wärmeleitung von einem Medium zum anderen, beispielsweise wenn Wasser auf eine kalte Oberfläche trifft oder die Temperatur der Umgebungsluft unter den Gefrierpunkt 0°C/273K sinkt.

Durch Ausstrahlung. Beispielsweise nachts wenn die vom Medium ausgehende Wärmestrahlung größer ist als die Einstrahlung.

Durch Konvektion eines umgebenden Mediums wie der Luft. Beispielsweise kann kalte Luft ins Tal abfließen und dort die Lufttemperatur senken, bis sie schließlich unter den Gefrierpunkt von Wasser von 0°C/273K sinkt.

Beim Verdunsten geht ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über, wobei die Flüssigkeit nicht die Siedetemperatur erreicht. Voraussetzung ist aber dass das Gas, oder Gasgemisch über der Flüssigkeit nicht gesättigt ist. Übertragen auf die Luft bedeutet das, dass die relative Luftfeuchtigkeit geringer als 100% ist.

Beispielsweise können sich Lebewesen nicht mehr durch Schwitzen abkühlen, wenn die Luftfeuchtigkeit 100% beträgt, da dann keine Verdunstung mehr stattfindet.

Ein Beispiel wo ein anderer Stoff als Wasser verdunstet ist das Benzin im Tank des Gebläses. Allerdings ist Benzin kein Stoff sondern ein Gemisch, und Teile davon verdunsten rascher als andere.

Eine Flüssigkeit verdampft, wenn sie die Siedetemperatur, den Siedepunkt überschreitet.

Achtung: Umgangssprachlich sprechen wir von Wasserdampf, wenn wir tatsächlich eine Ansammlung kleinster Tröpfchen sehen. Der Kaffee dampft. Wasserdampf ist wie alle Gase transparent und damit unsichtbar.

Beim Betrieb unserer Ballone verdampfen wir das Propangas. Der Siedepunkt von Propan liegt bei -42°C/231K bei einem Druck von 1013hPa, dem Normaldruck. Wenn der Druck erhöht wird, erhöht sich auch der Siedepunkt, wir kennen das Prinzip vom Dampfkochtopf.

Dadurch dass das Propan in der Flasche unter Überdruck ist, bleibt es flüssig. Da die Flasche nicht vollständig mit flüssigem Propan gefüllt wird, bildet sich oberhalb des flüssigen Propans ein Gaspolster. Das flüssige Propan wird mit einem Tauchrohr entnommen, und in den Brennerspiralen überhitzt, so dass beim Austritt aus den Brennerdüsen es schlagartig verdampft.

Sowohl zum Verdunsten als auch zum Verdampfen wird Wärmeenergie benötigt. Würde die Menge Propan die zum Betrieb des Brenners benötigt wird, in der Flasche verdampfen, dann würde diese so stark abkühlen dass sie vereist.

Wie bereits ausgeführt, erhöht sich die Siedetemperatur wenn der Druck erhöht wird. Umgekehrt sinkt die Siedetemperatur, wenn der Druck verringert wird. Das ist das Prinzip des Vergasers beim Motor. Hier wird an einer Stelle wo Unterdruck herrscht flüssiger Treibstoff hinzugeführt, so dass dieser vergast. Wie wir gelernt haben, wird zum Verdampfen - Vergasen Wärmeenergie benötigt. Und diese wird aus der Umgebung entnommen. Beim Vergaser kann das, wenn sich Wasser im Benzin befindet, zur Vergaservereisung führen. Und damit kann der Vergaser ausfallen.

Beim Betrieb des Heißluftballons gibt es zwei Fälle unerwünschter Umwandlung von flüssigem zu gasförmigen Propan:

Im Druckminderer, wenn dieser bei liegender Flasche nicht aus dem Gaspolster über dem flüssigen Propan gespeist wird, sondern direkt aus dem flüssigen Propan. Und der Druckminderer dadurch vereist.

Und am Fahrventil des Brenners, wenn dieses nicht ganz geöffnet wird, und durch den reduzierten Querschnitt ein Druckabfall stattfindet, der das flüssige Propan gasförmig werden lässt. Hierbei kann das Fahrventil vereisen. Besonders wenn das Propan Wasser enthält besteht die Gefahr dass das Ventil innen vereist und damit nicht mehr wie gewünscht funktioniert. Deshalb das Fahrventil immer ganz öffnen und schließen.

Die als Traggase verwendeten Gase Wasserstoff und Helium benötigen zum Verflüssigen so niedrige Temperaturen und so hohe Drücke, dass sie im Ballon immer gasförmig bleiben.

Aber in seltenen Fällen kommt es vor, dass das Traggas bei Veranstaltungen flüssig geliefert wird. Dazu wird es in speziell isolierten Behälter bei weniger -259°C/14K transportiert, und muss zur Füllung der Ballone verdampft werden. Dazu wird er durch einen Verdampfer geleitet, meistens einen Kaltverdampfer, der die Wärmeenergie aus der Umgebungsluft nimmt. Bei der Menge Wasserstoff oder Helium die zum Füllen der Ballone in kurzer Zeit benötigt wird, vereist der Kaltvergaser gerne, und seine Leistung sinkt da das Eis eine isolierende Wirkung hat.

Wasser kondensiert sobald eine Sättigung von 100% überschritten wird. In der Atmosphäre wird der Taupunkt, der Punkt an dem 100% relative Feuchte herrscht, durch Abkühlung erreicht. Die relative Feuchte ist das Verhältnis von der absolut in der Luft enthaltenen Menge an Wasserdampf zu der maximmal möglichen Menge an Wasserdampf der in der Luft enthalten sein könnte. Und diese Menge ist von der Temperatur abhänggig.

Abkühlung in der Atmosphäre erfolgt

• adiabatisch, in dem Luft aufsteigt, sich ausdehnt und damit der Druck sinkt.
• an Oberflächen, die sich durch Ausstrahlung abkühlen, und damit durch direkte Wärmeleitung die unmittelbar berührende Luft abkühlen. Diese Oberfläche kann auch die Ballonhülle sein.
• durch Mischung mit kühlerer Luft.
• durch Advektion, wenn Luft über eine kühlere Oberfläche strömt.

Das Kondensat tritt meist als Mikrotröpfchen auf, das dann zur Wolkenbildung führt, und als Tau auf Oberflächen.

Bei der Kondensation wird Wärme frei und wirkt der Abkühlung entgegen, kann sie aber nicht vollständig verhindern. Das bedeutet für die adiabatische Abkühlung, dass sie um die Menge Wärme reduziert wird, die durch Kondensation zugeführt wird. Die Abkühlung durch den adiabatischen Hebungsgradienten beträgt etwa 1°C/1K pro 100m und der feuchtadiabatische Gradient etwa 0,6°C/0,6K pro 100m. Der feuchtadiabatische Gradient gilt in dem Bereich in dem Kondensation stattfindet. Und ETWA deswegen weil die adiabatische Temperaturänderung von der Druckänderung abhängt, und die Druckänderung mit der Höhe in der Atmosphäre nicht linear verläuft, sondern die Druckänderung sich mit zunehmender Höhe verringert.

Sublimation: Auch den direkten Übergang vom gasförmigen zum festen Aggregatzustand gibt es. Bekannt sind hier vor allem die Bildung von Reif - auch die Vereisung von Oberflächen von Luftfahrzeugen hat oft mit Reifbildung zu tun - und Eisblumen am Fenster.

Und der umgekehrte Vorgang ist, wenn Eiskristalle nicht erst schmelzen, sondern direkt in den gasförmigen Aggregatzustand wechseln. Beispiel dafür ist Gefriertrocknen oder auch das Trocknen von Wäsche bei Frost.

Den Vorgang bezeichnet man in beide Richtungen als Sublimation bzw. sublimieren.

Frage 2: Welche Änderungen des Aggregatzustands habt ihr selbst schon erlebt? Und wie?

Frage 3: Bei welchen Änderungen des Aggregatzustands wird Wärme frei?

Frage 4: Bei welchen Änderungen des Aggregatszustands muss Wärmeenergie zugeführt werden?„

Antwort-Formular zu Aggregatzustände