Druck verringert den Schmelzpunkt von Eis

Wissenschaftliche Erklärung

Bei den meisten Stoffen steigt der Schmelzpunkt mit dem Druck: Die feste Phase ist dichter als die flüssige, sodass Druck die festere Packung begünstigt und das Schmelzen erschwert. Bei Wasser ist es genau umgekehrt. Eis Ih hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser — deshalb schwimmt Eis. Erhöhter Druck begünstigt daher die dichtere flüssige Phase und senkt den Schmelzpunkt.

Quantitativ sinkt der Schmelzpunkt um etwa 0,0075 Grad Celsius pro Atmosphäre Druckerhöhung. Bei einem Druck von rund 210 Megapascal (etwa 2100 Atmosphären) erreicht der Schmelzpunkt sein Minimum bei ungefähr minus 22 Grad Celsius. Bei noch höheren Drücken entstehen andere Eisphasen (Eis III, V und weitere), deren Phasengrenzen andere Steigungen zeigen.

Thermodynamisch wird dieses Verhalten durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung beschrieben: Die Steigung der Schmelzkurve im Phasendiagramm ist proportional zum Verhältnis von Entropieänderung zu Volumenänderung. Da Wasser beim Schmelzen sein Volumen verringert (negative Volumenänderung), hat die Schmelzkurve eine negative Steigung — einzigartig unter den gängigen Substanzen.

Alltagsrelevanz

Dieses Phänomen wird oft als Erklärung für das Gleiten von Schlittschuhen herangezogen — allerdings ist der Druck unter einer Schlittschuhkufe bei Weitem nicht hoch genug, um den Schmelzpunkt wesentlich abzusenken. Die tatsächliche Gleitfähigkeit beruht auf einer duennen, quasi-flüssigen Schicht auf der Eisoberfläche, die schon ohne zusätzlichen Druck existiert.

Praktisch relevant wird der druckinduzierte Schmelzpunktabfall hingegen in Gletschern: An der Basis grosser Eismassen herrschen durch das enorme Gewicht Drücke, die den Schmelzpunkt tatsächlich senken können. Das dort entstehende Schmelzwasser wirkt als Gleitmittel und trägt dazu bei, dass Gletscher fliessen. Auch in der Regelation — dem Prozess, bei dem ein Draht durch einen Eisblock “wandert” — spielt dieser Effekt eine Rolle.

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