Die Temperaturleitfähigkeit erreicht bei etwa 0,8 GPa ein Maximum

Wissenschaftliche Erklärung

Die Temperaturleitfähigkeit (thermische Diffusivität) beschreibt, wie schnell sich Temperaturunterschiede in einem Material ausgleichen. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu dem Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität. Bei Wasser zeigt diese Grösse ein ungewöhnliches Maximum bei einem Druck von etwa 0,8 Gigapascal.

Dieses Maximum entsteht durch das Zusammenspiel der druckabhängigen Veränderungen mehrerer Materialeigenschaften. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser steigt zunächst mit dem Druck, da die Moleküle enger beieinander liegen und Energie effizienter übertragen können. Gleichzeitig ändern sich aber auch Dichte und Wärmekapazität unter Druck. Bei etwa 0,8 GPa erreicht das Verhältnis dieser Grössen sein Optimum — die Wärmeleitfähigkeit ist hoch genug, aber die steigenden Werte von Dichte und Wärmekapazität haben den Zähler noch nicht überholt.

Bei noch höheren Drücken sinkt die Temperaturleitfähigkeit wieder, da die weitere Verdichtung und die Zunahme der Wärmekapazität den Effekt der verbesserten Wärmeleitfähigkeit übersteigen.

Alltagsrelevanz

Dieses Maximum hat Bedeutung für geowissenschaftliche Modellierungen. Wasser in der Erdkruste und im oberen Mantel existiert unter Drücken im Gigapascal-Bereich. Die Geschwindigkeit, mit der sich Wärme durch wasserhaltige Gesteinsschichten ausgleicht, beeinflusst thermische Modelle der Erdkruste, vulkanische Aktivität und die Dynamik hydrothermaler Systeme. Bei 0,8 GPa — einem Druck, der in etwa 25 Kilometern Tiefe herrscht — gleichen sich Temperaturdifferenzen im Wasser besonders schnell aus.