Viskosität und Prandtl-Zahl nehmen mit sinkender Temperatur stark zu
Bei Abkühlung steigen Viskosität und Prandtl-Zahl von Wasser ungewöhnlich stark an.
Wissenschaftliche Erklärung
Alle Flüssigkeiten werden bei Abkühlung zähflüssiger, aber bei Wasser ist dieser Anstieg ungewöhnlich steil. Die Viskosität verdoppelt sich zwischen 25 und 0 Grad Celsius nahezu — von 0,89 auf 1,79 Millipascal-Sekunden. Im unterkühlten Bereich beschleunigt sich der Anstieg noch dramatischer.
Parallel zur Viskosität steigt auch die Prandtl-Zahl stark an. Die Prandtl-Zahl ist das Verhältnis von Impulstransport (Viskosität) zu Wärmetransport (Wärmeleitfähigkeit) und gibt an, ob in einer Strömung der Impuls oder die Wärme schneller transportiert wird. Für Wasser steigt die Prandtl-Zahl von etwa 1,7 bei 100 Grad Celsius auf über 13 bei 0 Grad Celsius — eine Zunahme um fast das Achtfache.
Der Grund für diesen steilen Anstieg liegt in der zunehmenden Stärkung des Wasserstoffbrückennetzwerks bei tiefen Temperaturen. Je kälter das Wasser wird, desto mehr geordnete, eisähnliche Strukturen bilden sich. Diese erschweren den Impulsaustausch (Strömung) stärker als den Wärmetransport, was die Prandtl-Zahl in die Höhe treibt.
Alltagsrelevanz
Der starke Viskositätsanstieg bei Abkühlung erklärt, warum kaltes Wasser deutlich langsamer durch enge Röhren fliesst als warmes. In der Wärmetechnik hat die hohe Prandtl-Zahl kalten Wassers praktische Folgen: In Wärmetauschern ist die Grenzschicht bei niedrigen Temperaturen duenner, was den Wärmeuebergang beeinflusst. Ingenieure müssen dies bei der Auslegung von Heizsystemen, Kühlkreisläufen und industriellen Prozessen berücksichtigen.
Auch in der Natur spielt dieser Effekt eine Rolle: In kalten Polarmeeren ist das Wasser deutlich zähflüssiger, was die Strömungsmuster und den Nährstofftransport beeinflusst.