Anomalie des Wassers
Schlagwörter: Anomalie des Wasser, Temperatur, Dichte, Wärmelehre, Thermodynamik, 4°C
Bis jetzt sind wir davon ausgegangen, dass sich alle Körper bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen. (Längenausdehnung) Das bedeutet, dass ein z.B. Kupferwürfel mit dem Volumen 1 cm3 bei einer Temperatur von 20°C eine größere Masse hat, als ein Kupferwürfel mit dem Volumen 1 cm3 bei einer Temperatur von 100°C.
Wenn wir diese Feststellung auf Wasser übertragen, dann müsste das Wasser mit der niedrigsten Temperatur am Grund sein. Das Wasser mit der höchsten Temperatur wäre dann an der Oberfläche. Wenn wir im Sommer in einem See baden, dann können wir diese Beobachtung auch bestätigen. Je tiefer das Wasser wird, desto kälter wird es auch.
Aber wie ist es im Winter?
Wenn das kälteste Wasser am Boden wäre, dann müssten die Teiche vom Boden aus zufrieren. Das ist nicht so! Eisberge sinken nicht zu Boden, sondern schwimmen an der Wasseroberfläche.
Wasser hat bei einer Temperatur von 4°C die höchste Dichte.
Bild ►03 zeigt den See im Wandel der Jahreszeiten. Im Sommer befindet sich das warme Wasser an der Oberfläche, weil es eine geringere Dichte hat. Im Winter befindet sich das wärmere Wasser in Bodennähe. Dabei wird die Wassertemperatur am Boden 4°C oder weniger betragen. Wenn das Wasser am Boden wärmer als 4°C wäre, dann würde es aufsteigen und sich mit den darüber liegenden Wasserschichten mischen.
Noch deutlicher wird die Anomalie des Wassers im Laborexperiment am Steigrohr.
Beobachte die Steigrohre
Ein Kolben mit Steigrohr wird mit Wasser gefüllt.
Das Wasser hatte beim Einfülen eine Temperatur von 2°C. Jetzt wird der Kolben langsam erwärmt. Entgegen der Erwartungen nimmt das Volumen zunächst ab. Bei 4°C nimmt das Wasser das geringste Volumen ein. Es hat also bei 4°C seine größte Dichte.
Auswirkungen in Natur und Umwelt und ein Heimexperiment
- Frostaufbrüche
- Getränke im Gefrierschrank
- Kühlwasser
- Heimexperiment
Frostaufbrüche
Wenn eine Straße kleine Risse hat, dann kann in diese Risse Wasser hineinlaufen. Wenn das Wasser im Winter gefriert, dann dehnt sich das Eis aus, denn Wasser hat bei 4°C seine größte Dichte. Die Kräfte die dabei wirken sind so groß, dass sie die Teile aus der Asphaltschicht herausdrücken. Das Gleiche passiert auch zwischen Felsen. Auch diese werden durch Frostaufbrüche gesprengt. So können Wasser und Frost über einen langen Zeitraum auch Gebirge formen und verändern.
Wenn ein Felsen kleine Risse hat ►06-A dann kann Wasser in diese Risse laufen ►06-B. Dabei werden geringe Mengen des Steins abgespült. Im Winter ►06-C gefriert das Wasser. Da Wasser bei 4°C seine größte Dichte hat, dehnen sich das gefrierende Wasser und dann das Eis aus. Das Eis ist aber fest und kann so nicht mehr aus der Spalte herausfließen. Es wird den Riss ausweiten ►06-C. Im Frühjahr ►06-D können wir dann beobachten, dass sich der Riss im Felsen ausgeweitet hat ►06-E. Wenn der nächste Frost kommt, dann wiederholt sich der Vorgang. Auf diese Weise können Wasser und Frost die größten Steine „sprengen“ und so Landschaften formen.
Wasser im Gefrierschrank
Du hast vielleicht schon einmal gehört, dass Wasserflaschen nicht im Gefrierschrank aufbewahrt werden sollten. WARUM?
Bild ►07 zeigt eine Flasche Vita Malz, die eine Nacht im Gefrierschrank gelegen hat. Warum ist die Flasche kaputt? Wenn wir die Flasche ansehen, dann sehen wir das Eis, welches die Flaschenform angenommen hat. Das Glas darum scheint „gesprengt“ worden zu sein.
Was ist passiert?
Vita Malz, Bier, Wein, Limonaden, … bestehen zum Großteil aus Wasser. Wenn das Wasser gefriert, dann dehnt es sich aus. Dabei ist es nicht hilfreich, dass im oberen Teil der Flasche noch etwas Luft eingeschlossen ist. Bis zu einer Temperatur von 0°C ist das Wasser flüssig und kann sich frei in der Flasche verteilen. Wenn das Wasser in den festen Aggregatzustand übergeht, dann verliert es auch seine Fähigkeit sich frei zu verteilen. Durch die Eisschicht und die Form der Flasche kann sich das Wasser nicht weiter nach oben ausdehnen. Wenn jetzt unterhalb der Eisschicht weiteres Wasser in den festen Aggregatzustand übergeht und sich dabei ausdehnt, dann wird die Flasche platzen.
Das Wasser in der Flasche gefriert von oben nach unten. Dabei nimmt es die Form der Flasche an. Wenn die Flüssigkeit unter der oberen Eisschicht gefriert, dann dehnt sie sich aus. Da sich die obere Eisschicht nicht weiter nach oben schieben kann, wirken die Kräfte auf die Seiten der Flasche ►08. Das Glas kann sich nicht verformen und wird daher platzen.
Warum gehen die Eiswürfelbehälter im Gefrierschrank nicht kaputt?
Eiswürfelbehälter gibt es in den verschiedensten Formen und Farben. Wir wollen uns hier auf die Behälter aus einem starren Material beschränken. Diese Eiswürfelbehälter haben eines gemeinsam, ihre Querschnittsfläche nimmt von unten nach oben zu. ►09
Wenn die obere Schicht des Wassers gefroren ist, dann dehnt sich das Wasser darunter bei Abkühlung aus. Da die Eiswürfelfächer noch oben hin breiter werden, kann die Eisschicht nach oben verschoben werden. So kann das Wasser vollständig zu Eis gefrieren, ohne den Behälter zu beschädigen.
Heimexperiment
Das folgende Experiment kannst du auch einfach zu Hause durchführen. Du benötigst dazu folgende Materialien:
- Glas und ein Teller zum unterstellen
- Eiswürfel
- Leitungswasser
Durchführung
Fülle einige Eiswürfel in das Glas. Stelle das Glas auf einen Teller, damit du nichts verschüttest. Fülle jetzt das Glas bis zum Rand mit Wasser auf. Einige Eiswürfel sollten jetzt, wie in ►10 über den Rand des Glases hinausragen. Beobachte, was passiert, wenn das Eis schmilzt. Schreibe zunächst deine Vermutung auf.
Aufgabe
- Beschreibe deine Beobachtungen beim Experiment.
- Vergleiche deine Beobachtungen mit deiner Vermutung.
- Erkläre deine Beobachtung.