Fortgeschritten #23

Die Wärmeausdehnung von Wasser nimmt bei niedrigen Temperaturen zunehmend ab

Bei Abkühlung unter 4 Grad Celsius wird die Wärmeausdehnung negativ -- Wasser dehnt sich beim Abkühlen aus.

Wissenschaftliche Erklärung

Bei den meisten Flüssigkeiten ist der thermische Ausdehnungsköffizient positiv und ändert sich mit der Temperatur nur wenig. Wasser verhält sich grundlegend anders: Sein Ausdehnungsköffizient nimmt mit sinkender Temperatur immer weiter ab, durchläuft bei 3,984 Grad Celsius den Wert null und wird darunter sogar negativ. Das bedeutet, dass sich Wasser unterhalb von 4 Grad Celsius beim weiteren Abkühlen ausdehnt statt zusammenzuziehen.

Dieser negative Ausdehnungsköffizient ist eine direkte Folge der zunehmenden Bildung eisähnlicher Strukturen bei tiefen Temperaturen. Je kälter das Wasser wird, desto mehr Moleküle ordnen sich in teträdrischen Konfigurationen an, die der Kristallstruktur von Eis ähneln. Da diese Strukturen mehr Raum beanspruchen als die dichtere, ungeordnete Anordnung bei höheren Temperaturen, nimmt das Volumen zu, obwohl die Temperatur sinkt.

Im unterkühlten Bereich (unterhalb von 0 Grad Celsius) verstärkt sich dieser Effekt dramatisch. Der Ausdehnungsköffizient wird immer negativer, was die rapide Annäherung an die Eisstruktur widerspiegelt.

Thermal Expansion Coefficient vs Temperature Line chart showing the thermal expansion coefficient of water versus temperature. The coefficient is negative below 4 degrees C, passes through zero at 4 degrees C, and becomes increasingly positive at higher temperatures. A horizontal dashed line marks the zero crossing. α (10⁻⁴ K⁻¹) Temperature (°C) α = 0 +6 0 -6 -10 0 10 20 30 40 Negative α ~4 °C Thermal Expansion Coefficient of Water
Der thermische Ausdehnungsköffizient von Wasser durchläuft bei etwa 4 Grad Celsius den Nullpunkt und wird bei tieferen Temperaturen negativ.

Alltagsrelevanz

Die negative Wärmeausdehnung bei niedrigen Temperaturen erklärt, warum Wasser in Leitungen und Behältern beim Gefrieren erheblichen Druck aufbaut. Das Wasser dehnt sich aus, bevor es zu Eis wird — bereits die letzten Grad vor dem Gefrierpunkt gehen mit einer Volumenzunahme einher. Dies ist einer der Gründe, warum Wasserleitungen im Winter platzen können: Nicht erst das Eis selbst, sondern bereits das sich ausdehnende kalte Wasser erzeugt Druck.

Auch für die Durchmischung von Seen ist dieses Verhalten entscheidend. Im Herbst kühlt sich das Oberflächenwasser ab und sinkt, bis es 4 Grad erreicht. Das noch kältere Wasser bleibt oben, weil es sich ausdehnt und leichter wird.