Wasser hat eine besondere Eigenschaft, die es von
fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Es hat bei 4 °C
sein kleinstes Volumen
und damit seine größte Dichte.
Dieses nicht normale thermische Verhalten von Wasser wird in der Physik
als Anomalie des Wassers bezeichnet.
Bei Temperaturen über 4 °C verhält sich Wasser wie andere
Flüssigkeiten. Bei Erhöhung der Temperatur dehnt es sich aus,
bei Verringerung der Temperatur wird sein Volumen kleiner.
Kühlt sich Wasser unter 4 °C ab, so wird sein Volumen bis 0 °C
wiederum größer. Gefriert dann das Wasser, so dehnt es sich
weiter aus. Während Wasser von 0 °C eine Dichte von etwa
hat, beträgt die Dichte von Eis bei 0 °C
.
Deshalb schwimmt Eis auf Wasser. Das Verhältnis der Dichten von Eis und Wasser ist auch der Grund dafür, dass sich bei einem Eisberg etwa 9/10 unter Wasser und nur etwa 1/10 über Wasser befinden.
Die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur
Durch genaue Messungen kann man die Abhängigkeit der Dichte des Wassers von der Temperatur ermitteln. In Bild 2 sind die Werte für die Dichte des Wassers bei unterschiedlicher Temperatur angegeben.
Bedeutung der Anomalie des Wassers
Die Anomalie des Wassers ist für das Leben von Tieren und Pflanzen
im Wasser sehr wichtig und ermöglicht dieses Leben erst. Dazu betrachten
wir die Verhältnisse in einem See zu verschiedenen Jahreszeiten.
Im Sommer wird das Wasser von der Sonne
erwärmt. Das leichtere, wärmere Wasser bleibt an der Oberfläche
und wird durch Wind in den oberen Schichten vermischt. Tiefer liegende Schichten
sind kühler. Es bildet sich eine charakteristische Temperaturschichtung
heraus (Bild 3). Diese Temperaturschichtung des Wassers kann man z. B. beim
Baden feststellen. Je größer die Tiefe ist, umso niedriger wird
die Temperatur des Wassers.
Im Winter wird bei weiterer Abkühlung wieder ein stabiler Zustand erreicht. Es bildet sich wieder eine charakteristische Temperaturschichtung heraus (Bild 5). Das Wasser mit der größten Dichte, also Wasser von 4 °C, sinkt nach unten. Bei weiterer Abkühlung sinkt die Temperatur des oberflächennahen Wassers weiter ab. Sie erreicht schließlich 0 °C. Das Wasser beginnt zu frieren. Da die Dichte von Eis kleiner ist als die von Wasser, schwimmt das Eis oben und bildet eine stabile Schicht. Wenn das Gewässer hinreichend tief ist, befindet sich unter dem Eis eine Wasserschicht, die am Boden eine Temperatur von 4 °C hat. An diese Verhältnisse haben sich im Wasser lebende Pflanzen und Tiere angepasst und können überleben.
Im Frühjahr nimmt die Sonneneinstrahlung wieder zu. Es kommt zu einer allmählichen Erwärmung, zu einer Durchmischung des Wassers und damit zu einem Temperaturausgleich (Bild 6).Wasser und Eis als Sprengmittel
Die Ausdehnung von Wasser bei Abkühlung und insbesondere bei Eisbildung
muss im Alltag beachtet werden, da gefrierendes Wasser wie ein Sprengmittel wirkt. Frieren z. B. frei liegende Wasserrohre oder Pumpen ein und befindet
sich Wasser in ihnen, so dehnt sich dieses Wasser bei der Bildung von Eis
aus und kann die Rohre bzw. Pumpen regelrecht auseinandersprengen. Deshalb
ist auch erforderlich, dem Kühlwasser von PKW Frostschutzmittel beizugeben, weil ansonsten die Möglichkeit besteht, dass die Kühlflüssigkeit
einfriert und den Kühler sprengt.
In der Natur spielt die Sprengwirkung
von Eis ebenfalls eine wichtige Rolle. So dringt Wasser in Felsspalten
und Risse ein. Beim Gefrieren dehnt es sich aus. Steinbrocken werden von
Felsen abgesprengt, größere Steine werden gespalten. An Felswänden
bilden sich dadurch charakteristische Schuttkegel
aus (Bild 7).
Durch die Sprengwirkung des Eises wird auch der Ackerboden aufgelockert,
insbesondere wenn er vor Frost gepflügt werden ist.