Fortgeschritten #20

Der Druck reduziert die Temperatur der maximalen Dichte

Mit steigendem Druck verschiebt sich die Temperatur des Dichtemaximums zu niedrigeren Werten.

Wissenschaftliche Erklärung

Bei Atmosphärendruck erreicht Wasser seine höchste Dichte bei 3,98 Grad Celsius — eine der bekanntesten Anomalien. Weniger bekannt ist, dass diese Temperatur des Dichtemaximums (TMD) mit steigendem Druck sinkt. Bei etwa 200 Megapascal ist die TMD bis unter den Gefrierpunkt verschoben und verschwindet schliesslich vollständig.

Dieses Verhalten lässt sich durch das Zusammenspiel zweier Strukturen im flüssigen Wasser verstehen. Bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck dominieren die offenen, teträdrischen Wasserstoffbrücken-Netzwerke, die eine geringere Dichte aufweisen. Mit steigender Temperatur werden einige dieser Brücken gebrochen, und dichtere, weniger geordnete Strukturen nehmen zu. Bei 3,98 Grad Celsius gibt es ein Gleichgewicht: Die zunehmende thermische Ausdehnung wird durch den Zusammenbruch der offenen Strukturen genau kompensiert.

Unter Druck wird die offene, teträdrische Struktur schon bei tieferen Temperaturen zusammengedrückt. Das bedeutet, dass der Punkt, an dem sich die beiden Effekte die Waage halten, zu niedrigeren Temperaturen verschoben wird. Bei genügend hohem Druck gibt es kein Dichtemaximum mehr, weil die teträdrische Struktur bereits vollständig zerstört ist.

Temperature of Maximum Density vs Pressure Line chart showing how the temperature of maximum density of water decreases from about 4 degrees C at atmospheric pressure to lower values as pressure increases, eventually disappearing at around 200 MPa. T of max density (°C) 4 2 0 -2 0 50 100 150 200 Pressure (MPa) 3.98 °C at 1 atm vanishes Temperature of Maximum Density vs Pressure
Die Temperatur der maximalen Dichte von Wasser sinkt mit steigendem Druck und verschwindet bei etwa 200 MPa.

Alltagsrelevanz

Für tiefe Seen und Ozeane hat diese Druckabhängigkeit praktische Bedeutung. In einem See erwärmt sich das Wasser im Frühling von der Oberfläche her. Bei 3,98 Grad Celsius ist es am dichtesten und sinkt ab, was die Frühjahrszirkulation antreibt. In sehr tiefen Gewässern, wo höherer Druck herrscht, verschiebt sich dieses Dichtemaximum zu niedrigeren Temperaturen — die Schichtung und Zirkulation verhalten sich dort anders als in flachen Seen. Für die Ozeanzirkulation und das Überleben von Tiefseeorganismen sind diese subtilen Druckeffekte durchaus relevant.