Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist hoch und erreicht bei 130 Grad Celsius ein Maximum
Die Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Wasser ist hoch und zeigt ein Maximum bei erhöhter Temperatur.
Wissenschaftliche Erklärung
Die Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Wasser beträgt bei Raumtemperatur etwa 0,6 Watt pro Meter und Kelvin — höher als bei fast allen anderen nichtmetallischen Flüssigkeiten. Noch überraschender ist, dass dieser Wert mit steigender Temperatur weiter zunimmt und erst bei etwa 130 Grad Celsius (unter Druck, um das Verdampfen zu verhindern) ein Maximum von rund 0,686 W/(m K) erreicht. Danach sinkt die Wärmeleitfähigkeit wieder.
Dieses Verhalten ist anomal, weil bei den meisten Flüssigkeiten die Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur monoton abnimmt: Die zunehmende Unordnung behindert den Wärmetransport. In Wasser spielen die Wasserstoffbrückenbindungen eine zusätzliche Rolle: Sie ermöglichen einen effizienten Energietransfer zwischen benachbarten Molekülen, ähnlich wie Phononen in einem Festkörper. Mit steigender Temperatur werden die Moleküle beweglicher und können die Wärme schneller weiterleiten, während gleichzeitig die Brücken zwar schwächer werden, aber schneller umgebaut werden.
Das Maximum bei 130 Grad Celsius markiert den Punkt, an dem das Brückennetzwerk so weit gestört ist, dass die festkörperähnliche Wärmeleitung spürbar nachlasst und der normale flüssigkeitsartige Abfall einsetzt.
Alltagsrelevanz
Die hohe Wärmeleitfähigkeit macht Wasser zu einem exzellenten Kühlmittel. In Verbrennungsmotoren zirkuliert Kühlwasser, das die Wärme effizient vom Motorblock zum Kühler transportiert. Auch in Kernkraftwerken und industriellen Prozessen wird Wasser als primäres Kühlmedium eingesetzt. Die Tatsache, dass die Wärmeleitfähigkeit bei höheren Temperaturen sogar noch zunimmt, ist dabei ein grosser Vorteil: Je heisser das Wasser wird, desto besser leitet es die Wärme ab.