Die spezifische Wärmekapazität Cp hat einen Höchstwert bei etwa -45 Grad Celsius
Im unterkühlten Bereich steigt Cp dramatisch an und zeigt ein Maximum.
Wissenschaftliche Erklärung
Kühlt man flüssiges Wasser unter den Gefrierpunkt, ohne dass es kristallisiert (Unterkühlung), steigt die spezifische Wärmekapazität Cp dramatisch an. Bei etwa minus 45 Grad Celsius erreicht Cp ein scharfes Maximum, bevor es bei noch tieferen Temperaturen wieder abfällt. Diese Divergenz von Cp ist eines der stärksten Indizien für die Existenz eines zweiten kritischen Punktes in Wasser.
In der Nähe eines kritischen Punktes werden die Fluktuationen zwischen verschiedenen Strukturzuständen maximal. Bei Wasser bedeutet dies: Die Moleküle wechseln immer heftiger zwischen einer niedrigdichten, offenen Konfiguration (LDL) und einer hochdichten, kompakten Konfiguration (HDL). Jeder Wechsel absorbiert oder setzt Energie frei — und genau das treibt Cp in die Höhe.
Der experimentelle Nachweis ist extrem anspruchsvoll, da Wasser bei diesen Temperaturen fast augenblicklich kristallisiert. Erst mit ultraschnellen Lasertechniken, die Wasser in wenigen Nanosekunden erwärmen und messen, gelang es, den Cp-Anstieg bis nahe an das Maximum zu verfolgen.
Alltagsrelevanz
Dieses Cp-Maximum liegt zwar in einem Temperaturbereich, der im Alltag kaum erreichbar ist, aber seine Auswirkungen reichen bis in unseren Temperaturbereich. Das anomal hohe Cp von Wasser bei Raumtemperatur ist gewissermassen ein Nachklang dieses Maximums: Die strukturellen Fluktuationen, die bei minus 45 Grad ihren Höhepunkt erreichen, sind auch bei 20 Grad Celsius noch sichtbar — schwächer, aber immer noch stärker als in jeder normalen Flüssigkeit.