Fortgeschritten #57

Die spezifische Wärmekapazität (Cp und Cv) ist ungewöhnlich hoch

Sowohl bei konstantem Druck als auch bei konstantem Volumen ist die Wärmekapazität von Wasser ungewöhnlich gross.

Wissenschaftliche Erklärung

Vergleicht man die spezifische Wärmekapazität von Wasser (4,18 Joule pro Gramm und Kelvin bei konstantem Druck) mit anderen gängigen Flüssigkeiten, wird das Ausmass der Anomalie deutlich. Ethanol kommt auf 2,44, Aceton auf 2,17 und Olivenöl auf etwa 1,97 Joule pro Gramm und Kelvin. Wasser liegt also fast doppelt so hoch wie die meisten anderen Flüssigkeiten.

Diese hohe Wärmekapazität gilt sowohl für Cp (bei konstantem Druck) als auch für Cv (bei konstantem Volumen), wobei in Flüssigkeiten der Unterschied zwischen beiden vergleichsweise klein ist. Der physikalische Grund ist derselbe wie bei Anomalie 56: Das Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen fungiert als zusätzlicher Energiespeicher. Jede Brücke bindet etwa 20 Kilojoule pro Mol — und bei rund 3,5 Brücken pro Molekül ergibt sich ein enormes Reservoir, das Wärme aufnehmen kann, ohne dass die Temperatur wesentlich steigt.

Interessanterweise sinkt die hohe Wärmekapazität von Wasser kaum mit steigender Temperatur, weil bei höherer Temperatur zwar weniger Brücken intakt sind, diese aber leichter aufzubrechen sind — die beiden Effekte kompensieren sich teilweise.

Specific Heat Capacity of Water Compared to Other Liquids Bar chart comparing the specific heat capacity at constant pressure of water (4.18 J per g per K), ethanol (2.44), acetone (2.17), and olive oil (1.97). Water's value is roughly double that of most common liquids. Cp (J g⁻¹ K⁻¹) 0 2.5 4.5 4.18 Water 2.44 Ethanol 2.17 Acetone 1.97 Olive Oil Specific Heat Capacity Comparison at 25 °C
Vergleich der spezifischen Wärmekapazität gängiger Flüssigkeiten. Wasser übertrifft alle anderen deutlich.

Schritt für Schritt

H₂OOil⬆Same energy⬆Same energy+1°C+2.1°CH-bonds absorb energyOcean -- thermal bufferH₂O4.18 kJ/(kg·K)Oil2 kJ/(kg·K)Fe0.45 kJ/(kg·K)

Das Experiment

Zwei Behälter -- einer mit Wasser, einer mit Öl -- erhalten die gleiche Energiemenge. Was passiert mit der Temperatur?

Gleiches Ergebnis?

Das Öl erwärmt sich mehr als doppelt so stark wie das Wasser. Wasser nimmt pro Grad viel mehr Energie auf -- 4,18 kJ/(kg*K) gegenüber 2,0 beim Öl.

Warum so viel Energie?

Im Wasser bilden Wasserstoffbrückenbindungen ein Netzwerk. Zugeführte Energie geht nicht nur in die Molekülbewegung, sondern auch in das Aufbrechen und Umordnen dieser Brücken -- sie wirken als Energiespeicher.

Einfluss aufs Klima

Die Ozeane speichern dank der hohen Wärmekapazität riesige Energiemengen und wirken als thermischer Puffer. Küstenregionen profitieren: mildere Winter, kühlere Sommer. Wasser: 4,18, Öl: 2,0, Eisen: 0,45 kJ/(kg*K).

Alltagsrelevanz

Die hohe Wärmekapazität von Wasser ist einer der Gründe, warum das Klima der Erde vergleichsweise stabil bleibt. Die Ozeane speichern riesige Mengen an Wärmeenergie und geben sie nur langsam wieder ab, was extremen Temperaturschwankungen entgegenwirkt. Küstenregionen profitieren besonders: Ihre Winter sind milder und ihre Sommer kühler als im Landesinnern — dank der thermischen Trägheit des Meerwassers.