Fortgeschritten #60

Die spezifische Wärmekapazität Cp hat ein Minimum in Bezug auf den Druck

Die Druckabhängigkeit von Cp zeigt ein ungewöhnliches Minimum.

Wissenschaftliche Erklärung

Erhöt man den Druck auf flüssiges Wasser bei konstanter Temperatur, zeigt die spezifische Wärmekapazität Cp ein anomales Verhalten: Anstatt monoton zu sinken oder zu steigen, durchläuft Cp ein Minimum bei mittleren Drücken, bevor es bei sehr hohen Drücken wieder ansteigt. Bei einer typischen Flüssigkeit würde man eine gleichmässige, geringe Abnahme erwarten.

Das Minimum entsteht durch die druckabhängige Umstrukturierung des Wasserstoffbrückennetzwerks. Bei niedrigem Druck existiert eine offene, teträdrische Nahordnung mit viel Leerraum. Moderater Druck drückt diese Struktur zusammen und reduziert die Fluktuationen, die zur Wärmekapazität beitragen — Cp sinkt. Bei noch höherem Druck wird das Wasser so stark komprimiert, dass neue energetische Freiheitsgrade entstehen (etwa Verformungen der Wasserstoffbrücken und Änderungen der Koordinationszahl), die wieder zusätzliche Wärme aufnehmen können — Cp steigt.

Dieses druckabhängige Minimum ist die Entsprechung zum temperaturabhängigen Minimum bei 36 Grad Celsius (Anomalie 58) — beide spiegeln denselben Strukturkonflikt wider, nur in verschiedenen thermodynamischen Variablen.

Cp of Water vs Pressure Showing a Minimum Line chart showing the specific heat capacity Cp of water as a function of pressure at constant temperature. The curve decreases with increasing pressure, passes through a minimum, and then increases again at very high pressures. Pressure (MPa) Cp (J g⁻¹ K⁻¹) 0 100 200 300 Typical Minimum Cp Minimum with Pressure in Water
Cp als Funktion des Drucks. Wasser zeigt ein Minimum, das bei typischen Flüssigkeiten nicht auftritt.

Alltagsrelevanz

In der Geochemie und Ozeankunde spielen Druckeffekte auf die Wärmekapazität von Wasser eine Rolle bei der Modellierung von Tiefseeströmen und hydrothermalen Systemen. Wenn heisses Wasser in Schloten am Meeresboden unter hohem Druck aufsteigt, verändern sich seine thermischen Eigenschaften auf eine Weise, die nur mit dem anomalen Druckverhalten von Cp korrekt beschrieben werden kann.