Wichtiger Unterschied: Volumenstrom und Massenstrom

Gase – eine unstete Erscheinung

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen Flüssigkeiten und Gasen besteht darin, dass Gase komprimierbar sind. Das bedeutet, dass das Volumen V einer Gasmasse in Abhängigkeit von der Temperatur T, dem Druck p und der spezifischen Gaskonstante R stark variieren kann. Dieses Verhalten wird in der idealen Gasgleichung zusammengefasst:

\(pV = mRT. \)

Der Einfluss von Druck und Temperatur auf das Volumen einer konstanten Gasmenge kann mit der idealen Gasgleichung berechnet werden.

Wichtige Variablen: Temperatur und Druck

In der Praxis bedeutet dies, dass das Volumen einer konstanten Gasmenge bei konstantem Druck zunimmt, je heißer es wird. Zum Beispiel haben 100 Gramm trockene Luft, gemessen bei Atmosphärendruck (1 bar abs.), bei 0°C ein Volumen von ca. 78 Litern und bei 40°C ca. 90 Liter. Steigt dagegen der Druck bei konstanter Temperatur, nimmt die gleiche Masse des Gases ein kleineres Volumen ein. Bei 0°C und 1 bar abs. füllen 100 Gramm Wasserstoff ein Volumen von 1135 Litern, während die gleiche Masse bei der gleichen Temperatur und 100 bar abs. nur noch ca. 11 Liter einnimmt.

Auf das spezifische Gas kommt es an

Wie das obige Beispiel zeigt, nimmt die gleiche Masse eines Gases bei gleicher Temperatur und gleichem Druck ein unterschiedliches Volumen für verschiedene Gase ein. Der Grund dafür ist die unterschiedliche spezifische Gaskonstante R, die von Gas zu Gas erheblich variieren kann. Für trockene Luft ist die spezifische Gaskonstante \(R_{Luft} = 287 J/(kg K)\) und für Wasserstoff ist sie \(R_{H_2} = 4157 J/(kg K)\).

Volumenstrom und Massenstrom: ein theoretischer Unterschied …

Wenn man sich dieses besondere Verhalten von Gasen vor Augen hält, wird klar, warum der Begriff "Flussrate" weiter spezifiziert werden muss. Die Flussrate kann entweder durch die Angabe des Massenstroms oder des Volumenstroms angegeben werden. Der Volumenstrom wird in Einheiten wie Liter pro Minute oder Kubikmeter pro Sekunde angegeben. Der Massenstrom hingegen beschreibt die Rate, mit der eine bestimmte Masse bewegt wird, in Einheiten wie Kilogramm pro Sekunde oder Gramm pro Minute.

… und ein praktischer!

Wie das anfängliche Beispiel verdeutlicht, ist die Unterscheidung zwischen Massenstrom und Volumenstrom nicht nur theoretisch wichtig, sondern kann auch reale Auswirkungen auf das Alltagsleben haben. Nehmen wir an, dass unser hypothetischer Gaslieferant Wasserstoff in einer Region mit starken saisonalen Temperaturschwankungen verkauft. Dies bedeutet, dass die Gastemperatur zwischen 0°C im Winter und 40°C im Sommer schwanken kann.

Somit können 100 Liter, die zum gleichen Preis verkauft werden, in der Masse zwischen 76 Gramm und 88 Gramm schwanken. Das macht es für Kunden 13 % teurer, im Sommer Wasserstoff zu kaufen. Unser fiktives Beispiel verdeutlicht, wie wichtig die Unterscheidung zwischen Massenstrom und Volumenstrom ist. Es zeigt auch, warum Gase wie Wasserstoff oder Erdgas in der Praxis überwiegend nach Masse und nicht nach Volumen verkauft werden.

Welche Metrik sollte verwendet werden?

Dieses Beispiel wirft die Frage auf: Welche Metrik sollte verwendet werden? Die Antwort lautet: Es kommt darauf an! Beispielsweise sind Berechnungen mit dem Massenstrom viel einfacher, da die Masse konstant bleibt und nicht von der Temperatur oder dem Druck abhängt. Allerdings haben die meisten Menschen kein intuitives Verständnis von Gasmassen. Hier ist der Volumenstrom anschaulicher und für den Alltag besser geeignet.

Wenn man von einem Volumenstrom spricht, ist es entscheidend, den Druck, die Temperatur und die genaue Gasart zu kennen, die durch die spezifische Gaskonstante dargestellt wird. Deshalb gibt KNF in Datenblättern einen Volumenstrom an, der bei atmosphärischem Druck mit Luft bei Raumtemperatur gemessen wird. Für unseren imaginären Gasverkäufer bedeutet dies, dass das Gas nur nach Volumen verkauft werden sollte, wenn dieses Volumen bei einer konstanten Referenztemperatur und einem konstanten Druck angegeben wird. Die andere Möglichkeit wäre die Verwendung eines Massendurchflussmessers und der Verkauf des Gases nach Masse.