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Anomalie des Wassers - in Physik erklären Sie es so

Wasser zeigt eine spezielle Besonderheit, die die Flüssigkeit von anderen Flüssigkeiten abgrenzt. Wasser hat bei 4° seine größte Dichte. Dieses Phänomen ist in der Physik unter Anomalie des Wassers bekannt. Wie dieses Phänomen zustande kommt und welche Vorteile die Bewohner eines Sees im Winter davon haben, wird Ihnen in dieser Anleitung erklärt.

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Jedes Lebewesen möchte den Winter überleben.
Jedes Lebewesen möchte den Winter überleben.

Welche Eigenschaften schafft die Anomalie des Wassers der Flüssigkeit in der Physik?

  • Reines Wasser besitzt seine höchste Dichte, anders als die meisten Stoffe, nicht am Schmelzpunkt (0°), sondern bei + 4°. Dieses Phänomen wird in der Physik als Dichteanomalie bezeichnet. 
  • Das Volumen des Wassers vergrößert sich sowohl bei Temperaturen über + 4° als auch bei Temperaturen unter 4°. 
  • Wenn Temperaturen über 4° eintreffen, verhält sich das Wasser wie andere Flüssigkeiten und dehnt sich bei der Erhöhung der Temperatur aus, bei einer Niederung der Temperatur verkleinert es sich. Hier entspricht das Wasser der allgemeinen Physik, trotz der Anomalie des Wassers.
  • Wasser vergrößert sein Volumen bis zu 0°, wenn es unter 4° abkühlt. Wenn Wasser bei Minusgraden zu gefrieren beginnt, dehnt es sich aus.

Eine Frage an die Physik: Wie kommt die Anomalie des Wassers zustande?

  • Die Physik erklärt die Anomalie des Wassers durch die spezielle Verkettung von Wassermolekülen. Diese sind über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden und bilden sogenannte Cluster. 
  • Bei 4° haben die Cluster das kleinste Volumen und sind somit sehr dicht zusammen verankert. Dies macht die Anomalie des Wassers in der Physik aus.
  • Wenn die Temperatur nämlich erhöht wird, dann brauchen die Moleküle bzw. Cluster wieder mehr Bewegungsfreiraum und bauen dadurch auch ein größeres Volumen auf. Es ist genug Energie vorhanden, um Wasserstoffbrückenbindungen zu lösen und somit auch die Dichte zu erhöhen. Die Cluster sind also ständig im Wandel, denn es werden, genauso wie Wasserstoffbrückenbindungen gelöst werden, auch neue hergestellt. Sinkt die Temperatur hingegen, so verändern sich die Cluster ständig, wodurch ebenfalls ein größeres Volumen vonnöten ist.
  • Bei Minusgraden bildet das Wasser Kristalle. Die Wasserstoffbrückenbindungen befinden sich also nicht mehr im ständigen Wandel, sondern ruhen.

Die Anomalie des Wassers ist von großer Bedeutung, nicht nur in der Wissenschaft Physik

  • Gäbe es das Phänomen der Anomalie des Wassers nicht, so würden viele Lebewesen des Wassers den Winter nicht überleben. 
  • Ihnen ist vorhin die grundlegende Eigenschaft des Wassers aus Sicht der Physik erklärt worden. Wasser hat laut der Physik seine größte Dichte bei 4°.  Nun haben Sie aber auch gelesen, dass Wasser bei Minusgraden gefriert. Wie Sie sicher schon einmal beobachtet haben, sind Seen im Winter von einer Eisdecke überzogen. Schmeißen Sie einen Stein in eine dünne Eisschicht, so werden Sie feststellen, dass unter Eisschicht noch flüssiges Wasser ist, welche also wärmer sein muss. Genau dies bedingt die Anomalie des Wassers.
  • Wasser mit der größten Dichte sinkt nämlich auf den Grund des Sees. 4° ist noch so warm, dass Lebewesen dort gut überwintern können. Kühlt man das Wasser weiter ab, so bildet sich eine Eisschicht. Da Eis allerdings eine geringere Dichte hat, als Wasser, schwimmt das Eis an der Oberfläche. Unterhalb der Eisschicht ist das Wasser demnach noch über 0°. 
  • Dank der Anomalie des Wassers wird das Wasser auf dem Grund des Sees nie kälter als 4° und schichtet sich von 3°-1° unter die Eisschicht. Die Tiere und Pflanzen des Sees müssen so nicht erfrieren.

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