Anomalien des Wassers

Temperatur

Brownsche Bewegung

Thermische Ausdehnung

Wasser zeigt zwei abnormale Eigenheiten:

1)  Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus.
Es dehnt sich (neben den Metallen Gallium und Wismut als einziger Stoff) beim Gefrieren aus und zwar um fast 10%. Beim Gefrieren bildet sich aus den losen, nur über Wasserstoffbrücken verbundenen Wassermoleküle ein weitmaschiges, mit zahlreichen Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter, das mehr Platz einnimmt, als die Einzelmoleküle.

Die Dichte des Eises ist also um fast 10% geringer als die Dichte des Wassers. Eis schwimmt daher im Wasser, wobei etwa 10% des Eisvolumens über die Wasseroberfläche ragen. (z. B: schwimmende Eisberge)

Beim Gefrieren von Wasser treten sehr große Kräfte auf, die in der Natur bei der natürlichen Erosion große Bedeutung hat, da
Felsbrocken mit Wassereinschlüssen im Winter durch Frosteinwirkung gesprengt werden. Das trägt zur Verwitterung bei. Ebenso werden Ackerschollen durch den Frost gelockert.

http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph09/versuche/01gefrieren/frostkugel1.htm

http://www.schmidtler.de/a_tech/ht_tech/fst.htm
Frostschutz

2) Wasser erreicht schon bei 4° C  seine größte  Dichte.  Zwischen 0°C und 4°C nimmt das Volumen des Wassers bei Erwärmung ab. Bei 4°C ist das Volumen am geringsten und daher die Dichte am höchsten.

©Wolfgang Eisenzopf  http://www.bg-reithmann.asn-ibk.ac.at/lehr/eisenzopf/eisenzopf.htm

Kühlt Wasser bis auf 4° C ab, sinkt es tiefer ab. Sinkt die Temperatur nun weiter, schwebt das kühlere leichte Wasser auf dem schweren 4°C kalten Wasser und kann gefrieren. Dies führt dazu, dass z.B. Eisberge auf dem Wasser schwimmen.

Quelle: Rupprecht-Gymnasium - (C) LEIFI

Ließe sich Wasser in einem Thermometer verwenden? Da sich das Wasser sich nicht gleichmäßig ausdehnt ist es eher ungeeignet für Thermometer. Da das Wasser bei 4°C das kleinste Volumen hat, würde das Thermometer mit Wasser die kleinste Temperatur auch bei 4°C anzeigen. Bestimmte Temperaturen über 4°C und unter 4°C würden den selben Ausschlag auf dem "Wasserthermometer" auslösen und ließen sich so nicht unterscheiden.

Wasser bildet aufgrund der Anziehung eines Wasserstoffatom mit dem Sauerstoffatoms eines anderen Wassermoleküls sog. Wasserstoffbrücken. Diese Brückenbildung ist abhängig von der Bewegung der Teilchen. Da die Bewegung der Teilchen von der Temperatur abhängig ist, ist auch die Wasserstoffbrückenbildung abhängig von der Temperatur. Bei einer Temperatur von 4 °C (bei Normaldruck und auf Meereshöhe) ist die Bewegung optimal, so dass sich die Wassermoleküle aufgrund der Brückenbildung eng aneinander schmiegen. Die Dichte des Wasser beträgt bei dieser Temperatur 1 g/cm³. Unterhalb dieser Temperatur bewegen sich die Moleküle sowenig, dass gelöste Brücken nicht schnell genug wieder verbunden werden können. Die Dichte des Wasser beträgt daher unter 0 °C 0,9168 g/cm³, bei genau 0 °C 0,9999 g/cm³.
Ab 4 °C nimmt die Dichte wieder ab, da die Bewegung so groß ist, dass Wasserstoffbrücken schnell wieder gelöst werden. 

http://www.krref.krefeld.schulen.net/referate/biologie/r0046t00.htm

Noch eine andere Frage?

Gib mehrere Eiswürfel in ein Trinkglas und fülle dieses anschließend randvoll mit warmen Wasser. Geht das Wasser
über, wenn das Eis schmilzt? Nein es bleibt gleich.

Grund: Das geschmolzene Eis schwebt im Wasser und erfährt daher den gleichen Auftrieb wie der schwimmende Eiswürfel (F_A=-mg). In beiden Fällen wird daher Wasser mit G=m.g verdrängt. Z.B.: Abschmelzen von Nordpolareis, das am Wasser schwimmt.

Animation: http://pen.physik.uni-kl.de/physlets/animator4/fluids_3.html

Quellen:

http://magnet.atp.tuwien.ac.at/ts/fhpw/thermo.pdf

http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph09/simulationen/02celsius_kelvin/umrechnung.htm

http://www.djds.de/waerme/

http://www.ebgymhollabrunn.ac.at/ipin/ph-temp.htm