Dichteanomalie

Am Nullpunkt (0°C) besitzt Eis eine Dichte von p = 0,9168 g/cm3. Es ist damit bedeutend leichter als Wasser bei 0°C (p = 0,9998 g/cm3). Das Schmelzen des Eises ist stets mit einer

Volumenkontraktion verbunden. Sie erstreckt sich beim Erwarmen des flussigen Wassers bis zu einer Temperatur von 4°C (Abb. 6.3).

Bei 4°C besitzt das Wasser mit p = 1,0000 g/cm3 seine hochste Dichte und demzufolge sein geringstes Volumen.

Beim Schmelzen bricht die weitraumige Struktur des Eises durch den thermischen Abbau der H-Bruckenbindungen zusammen. Man geht davon aus, dass wahrend des Schmelzvor – ganges zunachst ca. 15% der H-BrUcken gelost werden. Die mit dem Abbau der Wasser – stoffbriicken verbundene Zunahme der Packungsdichte Uberwiegt die thermische Ausdeh – nung allerdings nur bis zum Dichtemaximum von 4°C. Weitere Temperaturerhohung fuhrt zu einem fortschreitenden Abbau der Cluster. Das Wasser beginnt sich wie jede Fliissigkeit beim Erwarmen auszudehnen, wobei seine Dichte stetig abnimmt. Flussiges Wasser be – steht aus flexiblen, ungeordneten Molektilaggregaten unterschiedlicher GroBe (2…1000 Molekule). Da die H-Bruckenbindungen relativ schwach sind, wandeln sich die Aggregate standig ineinander um. Dabei wechseln die H-Atome auch die Sauerstoffpartner.

Der vollstandige Abbau der H-BrUcken ist am Siedepunkt beendet, wenn die Wassermole – kiile in die Gasphase ubergehen. Im Wasserdampf liegen jedoch nicht nur isolierte H20- MolekUle vor. Untersuchungen der letzten Jahre zeigten, dass sich auch in der Gasphase dimere bis hexamere Strukturen ausbilden konnen.

Подпись:Abbildung 6.3

Dichte von Eis und fliissigem Was­ser in Abhangigkeit von der Tempe­ratur (verschiedene OrdinatenmaB – stabe).

Die Dichteanomalie ist die Ursache fur die thermische Schichtung in Gewassem. Beim Abkuhlen sinkt kaltes Wasser nach unten und warmeres steigt auf. Das Wasser groBter Dichte sammelt sich somit am Boden an. Sowohl im Sommer als auch im Winter hat das Wasser eines nicht zu flachen Sees am Boden eine Temperatur von 4°C. Daruber liegen im Sommer Wasserschichten, die warmer sind als 4°C, und im Winter solche, die kalter sind als 4°C. In beiden Fallen sind die aufliegenden Schichten von geringerer Dichte. Sinken die AuBentemperaturen unter 0°C ab, friert der See zunachst an der Oberflache zu. Die War- meleitfahigkeit des Wassers (Кар. 6.2.2.5) ist mit einem Wert von 0,59 W/m-K zu gering, um die Minustemperaturen bis zum Gewasserboden zu,,transportieren“. Damit bleibt die Temperatur von 4°C am Boden erhalten und gewahrleistet einen natlirlichen Schutz des tierischen und pflanzlichen Lebens im Wasser.

Die Temperatur des Dichtemaximums sinkt mit zunehmendem Salzgehalt des Wassers um 0,2°C pro l%o Salzgehalt. Meerwasser mit einem mittleren Salzgehalt von 3,5% besitzt ein Dichtemaximum bei -3,5°C, gefriert aber bereits bei -1,9°C.

Wasser dehnt sich beim Gefrieren um ca. 9% aus. Diese Volumenausdehnung ist die Ursache fur Gefugesprengungen von Bauteilen (Frostangriff). Temperaturen unterhalb des Geffierpunktes lassen das Wassers im durchfeuchteten Beton gefrieren. Dabei baut sich ein Kristallisationsdruck auf, der zu Abplatzungen an der Betonoberflache und zu Zerstorungen des Betongefuges fiihren kann. Die Frostschaden durch den im Umgangs – sprachgebrauch haufig als,,Ausfrieren“ bezeichneten natiirlichen Vorgang sind allein in der BRD mit mehreren hundert Millionen Euro pro Jahr zu beziffem.