Warum schwimmen Eisberge auf dem Wasser? Das kannst du mit der Anomalie des Wassers erklären. Was die Dichteanomalie des Wassers ist und was sie für eine Bedeutung in der Natur spielt, das erfährst du hier oder direkt im Video !
Was ist die Anomalie des Wassers?
Wasser hat eine ganz spezielle Eigenschaft, die fast keine andere Flüssigkeit hat: Es hat nämlich bei 4° Celsius sein geringstes Volumen und damit seine größte Dichte. Das ungewöhnliche Verhalten nennst du in der Physik die Anomalie des Wassers bzw. Dichteanomalie des Wassers.
Jetzt wird es spannend: Erhöhst oder verringerst du die Temperatur von 4 °C warmen Wasser, dehnt es sich in beiden Fällen wieder aus. Das Volumen wird also wieder größer und damit die Dichte geringer.
Da Wasser ab 0° Celsius gefriert, hat Eis also eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Es ist somit leichter als Wasser und schwimmt deshalb immer auf der Wasseroberfläche.
Anomalie des Wassers: Erklärung
Wasser hat bei einer Temperatur von 4 ° Celsius sein geringstes Volumen und damit seine größte Dichte. Die kleinen Wasserteilchen (Wassermoleküle ) lagern sich hier also sehr dicht aneinander.
Schauen wir uns nun an, was passiert, wenn die Temperatur des Wassers kleiner oder größer als 4° C ist:
- Temperaturen über 4° Celsius: Ist die Temperatur des Wassers über 4° Celsius, dann verhält es sich wie andere Flüssigkeiten auch. Durch die Temperaturerhöhung bewegen sich die Wassermoleküle schneller und brauchen mehr Platz. Die Flüssigkeit dehnt sich deshalb mit zunehmender Temperatur aus. Nimmt die Temperatur hingegen ab, nimmt auch das Volumen ab. Die Moleküle rücken näher zusammen.
- Temperaturen von 4° Celsius – 0° Celsius: Kühlt Wasser unter eine Temperatur von 4° Celsius, passiert etwas ungewöhnliches. Sein Volumen nimmt wieder zu, die Dichte im Gegenzug ab. Das liegt daran, dass die Wassermoleküle geordnete Kristalle bilden. Sie sind dort weitmaschiger gepackt, die Wassermoleküle sind also wieder weiter voneinander entfernt.
Übrigens: Die selbe Menge an Eis ist um etwa 10 Prozent leichter als dieselbe Menge an flüssigem Wasser. Deshalb befindet sich ein Eisberg auch zu 10 Prozent über Wasser. Der Rest liegt unter der Wasseroberfläche.
Gefriert Wasser zu Eis, verändert sich sein Volumen und somit seine Dichte, sprunghaft. Die Wassermoleküle ordnen sich beim Gefrieren anders an, und zwar in Form von Kristallen.
In der neuen Gitterstruktur benötigen sie mehr Raum als zuvor. Dadurch hat festes Wasser eine deutlich geringere Dichte und auch ein deutlich höheres Volumen als Wasser im flüssigen Zustand.
Bedeutung der Anomalie des Wassers in der Natur
In der Natur spielt die Anomalie des Wassers eine lebenswichtige Rolle. Tiere und Pflanzen können dank der besonderen Eigenschaft von Wasser die kalten Wintertemperaturen überleben.
Schauen wir uns das am Beispiel eines Sees zu den verschiedenen Jahreszeiten an:
Sommer
Im Sommer ist das Wasser in einem See unten kälter als in den oberen Schichten. Das ist dir vielleicht schon einmal beim Baden in einem See aufgefallen. Je tiefer du gehst, desto kälter wird es. Das liegt daran, dass die obere Schicht im See durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird. Der Wind vermischt die Schichten zudem.
Das leichtere, wärmere Wasser befindet sich also oben. Die kühleren, schweren Schichten findest du weiter unten im See.
Herbst
Im Herbst ist die Sonnenstrahlung nicht mehr so stark und die Luft kühler. Deshalb kühlt sich auch das Wasser nach und nach ab. Wasserströmungen sorgen nun dafür, dass es einen Temperaturausgleich gibt.
Winter
Im Winter gibt es wieder unterschiedliche Temperaturschichten im See. Das liegt daran, dass sich die Temperatur des Wassers verringert.
Bei 4° Celsius erreicht Wasser seine größte Dichte. Das ’schwere‘ Wasser sinkt daher nach unten. Kühlt das Wasser noch weiter ab, reduziert sich die Temperatur des oberflächennahen Wassers. Und zwar solange, bis es gefriert. Da Eis die geringste Dichte hat, schwimmt es auf der Wasseroberfläche.
Die stabile gefrorene Schicht, schützt die darunter liegenden flüssigen Schichten vor dem Gefrieren. Ist das Gewässer ausreichend tief, entsteht in der Tiefe ein Bereich mit einer Temperatur von 4° Celsius. Darin überleben die Bewohner des Sees, bis er im Frühjahr wieder auftaut.
Frühjahr
Im Frühjahr steigt die Sonneneinstrahlung. Dadurch wird das Wasser wieder wärmer. Die Wasserschichten durchmischen sich und es kommt zum Temperaturausgleich.
Anomalie des Wassers im Alltag
Auch im Alltag hat die Dichteanomalie des Wassers eine Bedeutung. Gefrierendes Wasser hat nämlich eine Art Sprengwirkung.
Achtung: Die Eigenschaft solltest du unbedingt beachten, wenn du eine Flasche mit Wasser füllst und in das Gefrierfach stellst! Gefriert das Wasser darin, so sprengt die plötzliche Ausdehnung die Flasche gewaltsam auf.
Die Sprengwirkung macht sich auch in anderen Bereich des Alltags bemerkbar:
- Frei liegende Wasserrohre könnten im Winter auseinandersprengen.
- Steinbrocken werden von Felsen abgespalten, wenn Wasser in die Risse der Felswände gelangt und im Winter friert.
- Auf Feldern machen sich Landwirte die Sprengwirkung zunutze, um Ackerböden aufzulockern. Das gelingt ihnen, indem sie die Böden vor einem Frost pflügen.
Schon gewusst? Aufgrund der Anomalie des Wassers, gibst du Frostschutzmittel zum Kühlwasser eines Autos. So friert die Kühlflüssigkeit im Winter nicht ein und der Kühler des Fahrzeugs bleibt unbeschädigt.
Volumen von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur
Trägst du das Volumen von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur grafisch auf, kannst du folgendes erkennen: Das Volumen ist bei 4° Celsius am geringsten, der Graph hat dort nämlich sein Minimum erreicht.
Der Volumenverlauf von 1 Kilogramm (1000 Gramm) Wasser sieht so aus:
Anhand des Graphen erkennst du die Anomalie des Wassers deutlich:
- Kühlst du Wasser ab fällt der Graph, das Volumen wird kleiner.
- Bei 4° Celsius erkennst du, dass er sein Minimum erreicht. Das Volumen ist am geringsten.
- Anschließend steigt es wieder an. Das Volumen steigt wieder.
Dichte von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur
Der Volumenverlauf des Wassers bei verschiedenen Temperaturen gibt dir nun Rückschlüsse auf den Dichteverlauf von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur.
Für den Dichteverlauf, benötigst du zunächst den mathematischen Zusammenhang zwischen Dichte und Volumen.
Die Dichte 
ergibt sich aus dem Quotienten von Masse m und Volumen V.
Seine größte Dichte besitzt Wasser bei 4° Celsius, und zwar in etwa in einem Bereich von 
.
Trägst du die Dichte in Abhängigkeit der Temperatur auf, ergibt sich folgender Verlauf:
Mithilfe der Formel kannst du dir auch den Zusammenhang zwischen Volumen und Dichte erklären:
- Nimmt das Volumen zu, nimmt die Dichte ab.
- Nimmt das Volumen ab, nimmt die Dichte zu.
- Beim Volumenminimum erreicht die Dichte somit ihr Maximum.
Wir nehmen hier natürlich an, dass die Masse immer konstant bleibt.
Mehr zur Dichte des Wassers und wie du die Dichte experimentell bestimmen kannst, erklären wir dir hier im nächsten Video ! Schau vorbei!
