Fortgeschritten #24

Die Wärmeausdehnung von Wasser nimmt mit steigendem Druck zu

Der thermische Ausdehnungsköffizient von Wasser steigt ungewöhnlich stark mit dem Druck.

Wissenschaftliche Erklärung

Bei den meisten Flüssigkeiten nimmt der thermische Ausdehnungsköffizient mit steigendem Druck ab: Druck komprimiert die Flüssigkeit, die Moleküle sitzen enger beieinander, und es bleibt weniger Spielraum für Ausdehnung bei Erwärmung. Wasser zeigt das Gegenteil — sein Ausdehnungsköffizient nimmt mit dem Druck zu.

Dieses anomale Verhalten hängt mit dem Wasserstoffbrücken-Netzwerk zusammen. Unter Normalbedingungen führt die offene, teträdrische Struktur dazu, dass Wasser bei Erwärmung zunächst dichter wird (negative thermische Ausdehnung unterhalb von 3,98 Grad Celsius). Unter Druck wird die teträdrische Ordnung gestört und teilweise aufgebrochen. Die daraus resultierende weniger strukturierte Flüssigkeit verhält sich “normaler” in dem Sinne, dass sie einen grösseren positiven Ausdehnungsköffizienten zeigt.

Vereinfacht gesagt: Druck beseitigt die anomale Kompaktifizierung, die die Wasserstoffbrücken bei niedrigen Temperaturen verursachen. Dadurch dominiert die normale thermische Ausdehnung stärker, und der Ausdehnungsköffizient steigt insgesamt.

Thermal Expansion Coefficient vs Pressure for Water Line chart showing how the thermal expansion coefficient of water increases with pressure, an anomalous behavior since most liquids show decreasing thermal expansion under pressure. Expansion coeff. (10⁻⁴ K⁻¹) 8 5 2 0 100 200 300 Pressure (MPa) Water (25 °C) Typical liquid Thermal Expansion vs Pressure
Thermischer Ausdehnungsköffizient von Wasser und einer typischen Flüssigkeit unter Druck.

Alltagsrelevanz

Für die Ozeanografie ist diese Anomalie bedeutsam: In den Tiefen der Ozeane, wo hohe Drücke herrschen, verhält sich Wasser in Bezug auf seine thermische Ausdehnung anders als an der Oberfläche. Dies beeinflusst die thermohaline Zirkulation — die grossen, globalen Strömungsmuster, die Wärme und Nährstoffe um den Planeten transportieren. Präzise Ozeanmodelle müssen diese Druckabhängigkeit des Ausdehnungsköffizienten berücksichtigen, um den Wärmetransport in der Tiefsee korrekt abzubilden.