Wasser hat einen niedrigen Ausdehnungsköffizienten
Der thermische Ausdehnungsköffizient von Wasser ist ungewöhnlich niedrig.
Wissenschaftliche Erklärung
Der thermische Ausdehnungsköffizient gibt an, wie stark sich das Volumen einer Substanz bei Temperaturerhöhung vergrössert. Bei Wasser ist dieser Wert ungewöhnlich niedrig im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten ähnlicher Grösse. Bei 25 Grad Celsius beträgt er nur etwa 2,57 mal 10 hoch minus 4 pro Kelvin — etwa vier- bis fünfmal geringer als bei typischen organischen Flüssigkeiten wie Ethanol oder Aceton.
Der Grund liegt wieder in den Wasserstoffbrückenbindungen. In den meisten Flüssigkeiten führt eine Temperaturerhöhung fast ausschliesslich dazu, dass die Moleküle stärker schwingen und mehr Raum einnehmen. Bei Wasser gibt es einen gegenläuigen Effekt: Erwärmung bricht eisähnliche, offene Strukturen auf und ermöglicht eine kompaktere Anordnung der Moleküle. Dieser Verdichtungseffekt kompensiert teilweise die normale thermische Ausdehnung, sodass das Nettörgebnis eine geringere Ausdehnung ist.
Bemerkenswert ist, dass der Ausdehnungsköffizient von Wasser stark temperaturabhängig ist. Bei 4 Grad Celsius ist er exakt null (dort liegt das Dichtemaximum), und darunter wird er sogar negativ — Wasser dehnt sich beim Abkühlen aus.
Alltagsrelevanz
Der niedrige Ausdehnungsköffizient von Wasser hat praktische Bedeutung. In Heizsystemen und Kühlanlagen, die mit Wasser arbeiten, sind die Volumenveränderungen bei Temperaturschwankungen relativ gering, was den Druck im System stabiler hält. Auch in biologischen Systemen ist diese Eigenschaft vorteilhaft: Die Körperflüssigkeiten von Lebewesen ändern ihr Volumen bei Temperaturschwankungen kaum, was die Stabilität von Zellen und Organen unterstützt.