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Wärmedehnung

Ausdehnung von Flüssigkeiten

Flüssigkeiten zeigen bei Temperaturänderungen ein ähnliches Verhalten wie feste Körper. Da sich bei Flüssigkeiten die Moleküle aber viel freier bewegen können, wird bei Erwärmung die Bewegungsenergie der Moleküle und damit die Wärmeausdehnung bei Flüssigkeiten viel größer als bei festen Körpern. Der Raumausdehnungskoeffizient γ flüssiger Stoffe muss also größer sein als bei festen Stoffen.

Tab.1
Tabelle Raumausdehnungskoeffizient γ flüssiger Stoffe
StoffRaumausdehnungszahl γ M | O o C 20 o C 10 - 3 K - 1
Ethanol1,10
Aceton1,43
Benzin1,00
Benzol1,23
Glycerol0,50
Methanol1,20
Petroleum0,96
Quecksilber0,181
Salpetersäure, rein1,20
Schwefelsäure, konz.0,22

Anomalie des Wassers

Erwärmt sich ein Körper, so nimmt sein Volumen zu, aber seine Masse bleibt konstant. Folglich muss sich die Dichte des Stoffes ändern. Weil also warmes Wasser eine geringere Dichte hat als kälteres, steigt es in einem Wasserkreislauf nach oben. Wasser zeigt aber in einem bestimmten Temperaturbereich bei Temperaturänderungen gegenüber allen übrigen Flüssigkeiten ein anomales Verhalten.

Tab.2
Tabelle: Dichte von Wasser bei verschiedenen Temperaturen
Temperatur °C Dichte ρ bei 1 bar in kg dm -3
00,999871-
10,999921-
20,999971-
30,999986-
4 1,000000 ⇚ größte Dichte
50,999986-
60,999971-
70,999924-
80,999878-
90,999804-
100,999730-
120,999528-
140,999274-
160,998972-
180,998624-
200,998230-
500,988000-
1000,958400-

Wie die Tabelle zeigt, besitzt Wasser bei +4 °C die höchste Dichte. Das Volumen des Wassers verringert sich also zunächst bei der Erwärmung von 0 °C auf 4 °C, und dehnt sich wie normal erwartet bei weiterer Erwärmung wieder aus.

Der Grund liegt in der Struktur des Wassers: Die Kristallstrukturen von festem Wasser sind sehr weitmaschig und mit zahlreichen Hohlräumen durchsetzt. Dies führt zu einer Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren unter Abnahme der Dichte.

Im flüssigen Wasser ist diese Gitterordnung teilweise zerstört; neben freien Wassermolekülen liegen kleine Wassereiskristalle vor. Durch weitere Erwärmung werden diese Eiskristalle gespalten und die Moleküle können sich dichter zusammenlagern. Bis 4 °C führt dies zu einer Zunahme der Dichte des Wassers. Ab 4 °C sinkt die Dichte wie zu erwarten wieder ab, da das Volumen durch Erhöhung der Molekülbewegung zunimmt.

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