Anomalie des Wassers: Erklärung und Auswirkungen

Unter der Anomalie des Wassers versteht man das Phänomen, dass sich Wasser ausdehnt, wenn es gefriert. Dies hat ein paar interessante Effekte zur Folge.

Erklärung

Normalerweise dehnen sich Körper aus, wenn es wärmer wird. Bei Wasser gibt es hier allerdings eine Ausnahme. Wenn Wasser gefriert, dann dehnt es sich aus. Genauer gesagt ist der Effekt bei Eis anzutreffen und bei Wasser, welches eine Temperatur von maximal $$4°C$$ hat.​

Eine direkte Folge davon ist, dass Eis ein grösseres Volumen einnimmt als Wasser derselben Menge.

Andersherum betrachtet: Wenn Eis wärmer wird und schliesslich beginnt, zu schmelzen, so zieht es sich zusammen. Das bedeutet, das Schmelzwasser nimmt ein geringeres Volumen ein, als das Eis, woraus es zuvor bestand.

Da Dichte und Volumen in Abhängigkeit zueinander stehen (Dichte und Volumen sind indirekt proportional zueinander), haben die Unterschiede im Volumen natürlich auch einen Einfluss auf die Dichte des Wassers.

Zur Erinnerung: Die Dichte $$\rho$$​ ist eine physikalische Grösse, welche die Relation zwischen der Masse $$m$$ eines Körpers zu Volumen $$V$$, welches er einnimmt, angibt. Die Dichte erhält man, wenn man die Masse durch das Volumen teilt: $$\rho=\frac{m}{V}$$.​

Für die Anomalie des Wassers gilt, dass die Masse des Wassers bei Temperaturänderung und damit verbundener Volumen- und Dichteänderung konstant bleibt.

Wenn nun also das Volumen grösser wird, wenn sich das Wasser abkühlt, dann wird gleichzeitig seine Dichte kleiner. 

​Zur Anomalie des Wassers gehört ebenfalls, dass Wasser seine höchste Dichte bei einer Temperatur von $$4°C$$​ erreicht. Bei dieser Temperatur nimmt Wasser also das kleinstmögliche Volumen ein.

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Auswirkungen

Warum schwimmt Eis auf Wasser?

Wie zuvor erklärt, ist die Dichte vom Eis ist geringer, als die von flüssigem Wasser: $$\rho_{\text{Eis}}<\rho_{\text{Wasser}}$$​​

Diese Tatsache erklärt, wieso Eis auf flüssigem Wasser schwimmt, wie bei Eiswürfeln in einem Wasserglas oder bei Eisbergen oder etwa, wieso die Oberfläche von Seen zufriert. Denn Gegenstände mit geringerer Dichte als Wasser schwimmen im Wasser, während Gegenstände mit höherer Dichte als Wasser im Wasser untergehen. 

Ein Eisblock (1.) schwimmt im Wasser (2.).

Warum können Fische im Winter im See überleben?

Die Antwort auf diese Frage ist, dass Seen auch im tiefsten Winter nie ganz zufrieren und am Grund von Seen es auch bei sehr tiefen Aussentemperaturen noch flüssiges Wasser gibt. Dies kann man wie folgt erklären:

Da Eis eine geringere Dichte besitzt als flüssiges Wasser bei $$4°C$$, ist es im Winter so, dass der obere Teil von Seen zufriert und das Eis der Oberfläche quasi auf den tieferen Wasserschichten schwimmt. Im See entsteht ein Temperaturunterschied, welcher dafür sorgt, dass es in den unteren Schichten des Sees wärmer ist. Ganz unten im winterlichen See befindet sich Wasser, welches eine Temperatur von $$4°C$$​ besitzt. Bei dieser Temperatur ist die Dichte des Wassers am grössten, daher sinkt Wasser, welches diese Temperatur hat, auf den Grund des Sees ab. 

Dies hat nun einen grossen Vorteil: In den tieferen Bereichen, wo es auch in sehr kalten Wintern noch flüssiges Wasser gibt, können die Fische und Seepflanzen überleben, ohne einzufrieren. 

Übrigens: Da die Dichte von Wasser bei $$4°C$$ am grössten ist, haben die tiefsten Bereiche eines Sees auch im Sommer bei einer Aussentemperatur von beispielsweise $$30°C$$ eine Temperatur von $$4°C$$.​

Dies kannst Du auch im nachfolgenden Bild erkennen. Hierbei sieht man links einen typischen See im Sommer (1.) und rechts einen typischen See im Winter.