Physik des Wassers

 

 

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Aggregatzustände

Aggregatzustände

Fast alle Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Man spricht vom festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand. In welchem Aggregatzustand ein Stoff vorliegt, hängt von der Temperatur und auch vom Druck ab. Die Abhängigkeit des Aggregatzustandes beziehungsweise des in der Thermodynamik enger gefassten Begriffs der Phase von diesen Zustandsgrößen wird üblicherweise in einem Phasendiagramm dargestellt.

Es gibt 3 Aggregatzustände:

  • fest:
    Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. In diesem Zustand ist ein Stoff sowohl in Form als auch im Volumen unveränderlich. Man kann ihn nur durch äußere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verändern. Feste Körper haben Oberflächen, die sie begrenzen.
  • flüssig:
    Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gefäßes an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flüssigkeiten bilden Oberflächen aus, die sie begrenzen.
  • gasförmig:
    Ein gasförmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Gase bilden keine Oberflächen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt. Der Stoff füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.

Feste und flüssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflächen haben. Gasförmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig.

 

 

Teilchemodell

Teilchenmodell

In den Naturwissenschaften wird häufig mit Modellen gearbeitet. Um die Eigenschafen von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen besser beschreiben zu können, soll hier das sog. Teilchenmodell verwandt werden. Wie jedes andere Modell ist auch das Teilchenmodell eine Vereinfachung der Wirklichkeit um das zugrunde liegende Prinzip zu verdeutlichen. Mit seiner Hilfe kann das Form- und Volumenverhalten von Stoffen in verständlicher Weise gedeutet und erklärt werden.

Beim Teilchenmodell geht man davon aus, daß alle Stoffe sind aus sehr kleinen Teilchen, den Atomen, Ionen und Molekülen, aufgebaut sind. Dabei wird angenommen, ein Stoff bestehe aus kleinen Kugeln. In Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) von anderer Form, für die Erklärung der 3 Aggregatzustände reicht es aber aus, die Teilchen als kleine Kugeln anzusehen.

 

 

Die Grundaussagen des Teilchenmodells lauten:

  • Alle Stoffe bestehen aus solchen Teilchen. Die Teilchen unterschiedlicher Stoffe sind in Masse und Größe verschieden. Die Teilchen eines Stoffes sind in Masse und Größe gleich. Die Teilchen sind immer sehr klein.
  • Zwischen den Teilchen ist leerer Raum. Je nach Aggregatzustand sind die Abstände zwischen den Teilchen verschieden groß.
  • Die Teilchen der Stoffe befinden sich in ständiger Bewegung. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist von der Temperatur abhängig.
  • Zwischen den kleinsten Teilchen der Stoffe wirken anziehende Kräfte. Diese Anziehungskräfte besitzen nur eine geringe Reichweite.

Die Bewegung der Teilchen der 3 Aggregatzustände ist ein Maß für die Temperatur des Stoffes. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig (wie z.B. Billardkugeln), bis sie mit einem anderen oder mit der Gefäßwand zusammen stoßen. In der Flüssigkeit müssen sich die Teilchen durch Lücken zwischen ihren Nachbarn hindurch zwängen. Im Festkörper bewegen sich die Teilchen nur wenig um ihre Ruhelage.

Festkörper

Ein Festkörper ist der Zustand mit der kleinsten Energiemenge. Er hat eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Die Teilchen eines Festkörpers sind eng aneinander gepackt. Auch die Partikel eines Festkörpers bewegen sich vibrierend hin und her,  sie haben aber zuwenig Energie, sich voneinander loszureißen.

Flüssigkeit

Eine Flüssigkeit hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Eine Flüssigkeit nimmt die Form ihres Behälters an, behält aber dasselbe Volumen. Die Partikel in einer Flüssigkeit bewegen sich freier als in einem Festkörper, aber auch sie haben zuwenig Energie, sich frei voneinander zu bewegen.

Gas

Ein Gas hat weder eine bestimmte Form noch ein bestimmtes Volumen. Die Partikel in einem Gas sind weit auseinander und bewegen sich schnell in allen Richtungen. Ein Gas kann sich ausbreiten und auch leichter zusammen gepresst werden als eine Flüssigkeit oder ein Festkörper. Wasserdampf ist der Gaszustand von Wasser. Die meisten Gase sind unsichtbar, wie die Luft, die wir atmen.

 

 

Phasenübergänge des Wassers

Aggregatzustände und Energiebeiträge von Wasser

Stoffe ändern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhöht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Flamme, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B. Kühl-/ Gefrierschrank, Lufttemperatur etc.). Der Übergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmten Temperaturen und wird durch bestimmte Fachbegriffe bezeichnet:

  • vom festen in den flüssigen und umgekehrt.
    Die dabei ablaufenden Prozesse werden als Schmelzen und Erstarren (Gefrieren) bezeichnet.
  • vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand und umgekehrt.
    Erfolgt der Prozeß unterhalb des Siedepunktes wird er als Verdunstung, oberhalb des Siedepunktes als Verdampfung bezeichnet. Der umgekehrte Prozeß heißt Kondensation.
  • vom gasförmigen in den festen und umgekehrt.
    Die ablaufenden Prozesse werden in beiden Richtungen als Sublimation bezeichnet.

Der Stoff selbst bleibt bei den Änderungen des Aggregatzustands erhalten, nur sein Zustand ist verändert (anders als z.B. bei der Verbrennung von Holz. Dabei bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche). Der Vorgang der Änderung des Aggregatzustands wird auch als Phasenübergang bezeichnet.

Die verschiedenen Phasenübergänge haben spezielle Bezeichnungen:

  • Schmelzen und Erstarren,
  • Sieden und Kondensieren,
  • Sublimieren und Resublimieren,
  • Verdunsten und Verdampfen.

Verdampfen und Sieden sind dabei synoyme Begriffe. Am Siedepunkt ist der Druck des Dampfes gleich dem äußeren Luftdruck. Der Dampf steigt dann in kleinen Blasen in der Flüssigkeit auf und entweicht. Da in den Bergen der Luftdruck niedriger ist als bei NN (Normalnull) siedet dort das Wasser schon unter 100 °C.

Von Verdunsten spricht man, wenn eine Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes nicht sichtbar in den gasförmigen Zustand übergeht (z.B. Trocknen von Wäsche auf der Leine). Da die Aufnahmekapazität der Luft für Wasserdampf mit steigender Temperatur zunimmt, trocknet die Wäsche an warmen Tagen schneller als an kalten, vorausgesetzt die Luft ist nicht mit Wasserdampf gesättigt
Umgekehrt schlägt sich der Wasserdampf aus der Luft in kalten Nächten als Tau nieder, weil beim Abkühlen die Aufnahmekapazität der Luft geringer wird. Der Wasserdampf kondensiert.

Der Wechsel von einem Aggregatszustand zum anderen ist immer mit einer Zuführung oder Freisetzung von Energie verbunden. Dies bedeutet, daß entweder Energie aufgewendet werden muß oder aber Energie frei wird.
Für alle diese Änderungen gilt:

  • Während einer Aggregatzustandsänderung bleibt die Temperatur des betreffenden Körpers gleich.
  • Während einer Aggregatzustandsänderung ändert sich die thermische Energie eines Körpers.
  • Mit einer Aggregatzustandsänderung verändert sich zumeist auch das Volumen des Körpers.

Ob als Flüssigkeit im Meer oder im Trinkglas, als flüchtiger Dampf oder als hartes, glattes Eis, wie Wasser uns begegnet ist eine Frage der Umweltbedingungen: Der Schmelz- und Siedepunkt des Wassers hängt allein vom jeweiligen Druck ab, der wiederum von der oberen Erdatmosphäre bis zur Tiefsee oder dem Erdinneren über viele Größenordnungen variiert. Bei einem Standarddruck von einer Atmosphäre (1 atm = 1, 013 hPa) erstreckt sich der Bereich von flüssigem Wasser vom Schmelzpunkt bei 0 °C oder 273 Kelvin bis zum Siedepunkt bei 100 °C (373 K). Auf dem Mount Everest beträgt der Druck in fast 9.000 Meter Höhe nur noch etwa 1/3 des Normaldrucks. Tee wäre hier viel schneller fertig, denn das Wasser siedet schon bei 70 °C. Die wichtigste Energiequelle, aus der sich die enorme Wetterwirksamkeit des Wasser speist, sind die Phasenübergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig.

Bereits zum Thema "Kinetische Gastheorie" wurde dargestellt, wie ein trockenes Gas durch eine Änderung seiner Temperatur auch sein Volumen ändert und es dadurch zu Aufstiegs- und Absinkvorgängen kommt. Im Abschnitt "Wasserdampf und Luftdichte" ist ausgeführt worden, daß feuchte Luft eine geringere Dichte als trockene Luft aufweist, was allein schon zu Hebungsvorgängen führt. Entscheidend für die besondere Wetterwirksamkeit des Wasserdampfs der Atmosphäre sind jedoch die Phasenübergänge des Wassers. Wie das Schaubild oben rechts zeigt, ist jeder dieser Übergange des Wassers mit einer Energieänderung verbunden. Dies bedeutet, daß entweder Energie verbraucht oder aber Energie frei wird.

Damit Wasser vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, sind unter Standardbedingungen ca. 334 J/kg Energie erforderlich (Schmelzenergie). Für den Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase ist eine Energiemenge erforderlich, die als Verdunstungs- bzw. Verdampfungsenergie bezeichnet wird. Der dafür erforderliche Energieaufwand ist von der Temperatur abhängig: bei 100 °C sind es ca. 2260 J (Verdampfen), bei 15 °C hingegen 2501 J/g (Beispiel für Verdunsten). Wasser benötigt übrigens wieder die größte Verdampfungswärme von allen Stoffen (2,26 MJ/kg). Diese Energie "steckt" im gasförmigen Zustand als sog. latente Wärmeenergie. Das Wasser befindet sich damit in der energetisch höchsten Phase. Bei den umgekehrten Prozessen, Kondensation und Gefrieren, wird die aufgewendete Verdunstungs- und Schmelzenergie wieder frei. Wasser kann aber auch direkt von der energetisch niedrigsten Phase (fest) in die höchste, gasförmige Phase übergehen. Dazu ist die Sublimationsenergie von 2835 J/g erforderlich, die im umgekehrten Fall wieder frei wird. Diese Sublimationsenergie setzt sich ungefähr aus Verdunstungs- und Schmelzenergie zusammen.

Diese latente Wärme spielt in Bezug auf die Phasenübergänge des Wassers in der Erdatmosphäre in der Meteorologie eine wichtige Rolle. Ein Großteil der Sonnenenergie, welche auf die Erde trifft, z.B. auf feuchte Oberflächen oder auf Wasserflächen, wird  in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden bei 20 °C etwa 2450 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine Änderung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, vielmehr bleibt die Energie im gasförmigen Aggregatzustand des Wassers als latente Wärme gespeichert. Da diese Speicherung reversibel ist, wird diese Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprünglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung aufgenommene Energie wird also in größeren Höhen wieder frei und führt dort zu einer Temperaturerhöhung. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphäre wird also nach oben langsamer kälter, als ohne die latente Wärme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wäre

Diese Phasenübergänge und die damit verbundenen energetischen Prozesse (Ernergieaufwand bzw. Energiefreisetzung sind wesentliche Antriebe für unser Wetter. Weitere Einzelheiten dazu stehen im Abschnitt Thermodynamik bzw. in den Kapiteln Temperaturgradient und Wasserdampf.

 

Art des Phasenübergangs

Übergang von ...

Beispiel Wasser

Schmelzen

... fest zu flüssig.
Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Schmelztemperatur  bezeichnet.   

Eis schmilzt in der Sonne oder im Sprudelglas, da es Wärme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0 °C.

Erstarren

... flüssig zu fest.
Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, wird als Erstarrungstemperatur bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur.  

Wasser erstarrt (gefriert) z.B. in der Eiswürfelschale in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekühlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0 °C. Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers dehnt es sich dabei aus.

Verdampfen

... flüssig zu gasförmig.
Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur.  

Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wärme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100 °C. Am Topfboden bilden sich Wasserdampfblasen. Sie steigen nach oben und der Dampf verlässt das Wasser.

Verdunsten

... flüssig zu gasförmig.
Als Verdunstung bezeichnet man den Übergang flüssiger Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verläuft langsamer als die Verdampfung, da dem Stoff weniger Wärme(energie) zugeführt wird.

Wasser verdunstet, wenn die Sonne die Luft erwärmt: Pfützen trocknen aus.

Kondensieren

... gasförmig zu flüssig.
Die Temperatur, bei der dieser Übergang möglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*. Sie ist gleich der Siedetemperatur.

Am kühlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkühlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100 °C.

Sublimieren

... gasförmig zu fest.  

Gefrorene Wäsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.

Resublimieren

... fest zu gasförmig.

Raureifbildung.

Wasser ist die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur in allen drei Aggregatzuständen vorkommt. Die Bezeichnung Wasser wird im Sprachgebrauch für den flüssigen Aggregatzustand verwendet. Im festen (gefrorenen) Zustand spricht man von Eis, im gasförmigen Zustand von Wasserdampf. Unter Normalbedingungen kommt Wasser auf der Erdoberfläche im gasförmigen, flüssigen und festem Aggregatzustand (Phasen) vor.

 

Schmelzen und Erstarren

Schmelzen bezeichnet den Übergang vom festen in den flüssigen, Erstarren den umgekehrten Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand.

  • Wird einem festen Stoff Wärme zugeführt, geht er bei seiner Schmelztemperatur in den flüssigen Aggregatzustand über.
    Die zum Schmelzen erforderliche Wärme wird als Schmelzwärme bezeichnet.
  • Wird einer Flüssigkeit Wärme entzogen, geht sie bei ihrer Erstarrungstemperatur in den festen Aggregatzustand über.
    Die beim Erstarren frei werdende Wärme wird als Erstarrungswärme bezeichnet.
  • Während des Schmelzens und des Erstarrens ändert sich die Temperatur eines Stoffes nicht.
  • Beim Schmelzen vergrößert sich das Volumen eines Stoffs, bei Erstarren verringert es sich.
    • Wasser ist eine Ausnahme: Bei Wasser wird im Unterschied zu anderen Stoffen das Volumen beim Erstarren = Gefrieren größer (Dichteanomalie des Wassers).
  • Schmelz- und Erstarrungstemperatur sind gleich groß. Sie hängen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
  • Schmelz- und Erstarrungswärme sind für einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich groß.

Die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen der verschiedenen Stoffe können auch in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich sein. Meist werden diese Temperaturen auf den normalen Luftdruck von 1.013 hPa bezogen. Es gibt aber auch Stoffe, für die keine genaue Schmelz- oder Erstarrungstemperatur, sondern nur ein Temperaturbereich angegeben werden kann, in dem sie schmelzen bzw. erstarren. Das sind sog. amorphe Stoffe, wie z.B. Wachs und Glas.

Bei Wasser und teilweise auch bei anderen Stoffen spielt die Druckabhängigkeit der Schmelztemperatur eine Rolle.

Für Wasser gilt:

  • Je größer der Druck ist, desto niedriger ist die Schmelztemperatur von Eis.
    Wird z.B. mit den Schlittschuhkufen ein großer Druck auf das Eis ausgeübt, schmilzt das Eis unter den Kufen auch bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von 0 °C. Der Schlittschuhläufer gleitet somit auf einem sehr dünnen Wasserfilm.

Bei dem meisten anderen Stoffen, die sich beim Erstarren zusammenziehen, gilt dagegen:

  • Je größer der Druck ist, desto höher ist die Schmelztemperatur.

Mit dem Teilchenmodell läßt sich der Schmelzvorgang dadurch erklären, daß sich mit der Zufuhr von Wärme die kinetische Energie der Teilchen des festen Stoffs erhöht, die im festen Zustand einen bestimmten Platz einnehmen, um den sie hin- und herschwingen. Die Teilchen bewegen sich nunmehr heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergrößert sich. Schließlich ist ihre Energie so groß, daß sie ihren festen Platz verlassen und sich beliebig gegeneinander bewegen können. Der Stoff ist flüssig geworden.

Eiskristall

Beim Erstarren vollziehen sich dieser Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird der Flüssigkeit Wärme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schließlich werden sie aneinander gebunden und nehmen so einen festen Platz ein, um den sie hin- und herschwingen. Die Flüssigkeit ist erstarrt.

Der Zustandswechsel von flüssig zu fest, also das Gefrieren, kommt bei Wasser in vielen Varianten vor. Es kann sich klares Eis oder eine Vielzahl von eiskristallinen Formen bilden, welche die verschiedenen Variationen von Eis ausmachen. Wir haben dafür fein differenzierende Begriffe herausgebildet, z.B. Glatteis, Schnee, Pulverschnee, Raureif, Schneematsch, usw. Nicht zuletzt wegen der ungewöhnlichen Dichte-Temperatur-Funktion spricht man auch von der Anomalie des Wassers. Zu dieser Anomalie zählt u.a. auch das Phänomen, daß Wasser unterhalb seines Gefrierpunktes weiterhin in flüssiger Form existieren kann (unterkühltes Wasser). Erst bei geeigneten Randbedingungen oder durch eine Störung, wie beim Auftreffen auf Festkörpern (z.B. den Tragflächen eines Flugzeuges), wird es schlagartig zu Eis.

Der dem Gefrieren entgegen gesetzte Zustandswechsel vom festen Zustand (Eis) zum flüssigen Zustand (Wasser) kommt dagegen recht unspektakulär daher. Wenn die Temperatur steigt, schmilzt das Eis und wird zu Wasser. Auch der Schmelzpunkt ist jedem gut bekannt, er liegt bei 0 °C.

 

 

Sieden und Kondensieren

Sieden bezeichnet den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen, Kondensieren den umgekehrten Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand.

  • Wird einer Flüssigkeit Wärme zugeführt, geht sie bei ihrer Siedetemperatur in den gasförmigen Aggregatzustand über.
    Die zum Sieden erforderliche Wärme wird als Verdampfungswärme bezeichnet.
  • Wird einem Gas Wärme entzogen, geht sie bei ihrer Kondensationstemperatur in den flüssigen Aggregatzustand über.
    Die beim Kondensieren frei werdende Wärme wird als Kondensationswärme bezeichnet.
  • Während des Siedens und des Kondensierens bleibt die Temperatur eines Körpers gleich groß.
  • Beim Sieden vergrößert sich das Volumen eines Körpers, beim Kondensieren verringert es sich.
  • Siedetemperatur und Kondensationstemperatur sind gleich groß. Sie hängen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
  • Verdampfungswärme und Kondensationswärme sind für einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich groß.
  • Zum Sieden eines Stoffes ist also stets die Wärmemenge erforderlich, die beim Kondensieren wieder frei wird.

Die Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der verschiedenen Stoffe können in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich sein. Diese Temperaturen werden meistens auf den Standard-Luftdruck von 1.013 hPa bezogen.

  • Je größer der Druck ist, desto höher ist die Siedetemperatur.

Wird z.B. in einem Topf der Druck erhöht, siedet das Wasser nicht bei einer Temperatur von 100 °C wie beim normalen Luftdruck von 1.013 hPa, sondern bei höheren Temperaturen. Das wird im Schnellkochtopf und in Kraftwerken (Dampfkreislauf) genutzt. Umgekehrt ist auf hohen Bergen der Luftdruck niedriger und demzufolge ist auch die Siedetemperatur geringer als 100 °C.
Die Übersicht zeigt beispielhaft, wie sich die Siedetemperatur mit dem Druck verändert.

Ort

Höhe über NN

Luftdruck

Siedetemperatur des Wassers

Hamburg

    0 m

1013 hPa

    100 °C

Zugspitze

2963 m

  700 hPa

   ~ 90 °C

Mt. Everest

8850 m

  312 hPa

   ~ 70 °C

Mit dem Teilchenmodell kann der Vorgang beim Sieden dadurch erklären werden, daß sich mit der Zufuhr von Wärme die kinetische Energie der Teilchen der Flüssigkeit erhöht. Die Teilchen bewegen sich somit heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergrößert sich. Schließlich ist ihre Energie so groß, daß sie die Flüssigkeit verlassen und sich beliebig gegeneinander bewegen können. Der Stoff wurde gasförmig.

Beim Kondensieren vollzieht sich der Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird dem Gas Wärme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Auch ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schließlich werden sie näher aneinander gebunden. Das Gas wurde flüssig.

 

Raureif

Sublimation und Resublimation

Wenig beachtet sind für gewöhnlich die Aggregatswechsel, welche einen Zustand überspringen, etwa unmittelbar vom festen zum gasförmigen Zustand oder umgekehrt. Wenn z.B. Schnee bei Dauerfrost längere Zeit liegt, kann man beobachten, daß sich die Schneemenge allmählich verringert. Offensichtlich wandelt sich Schnee direkt in Wasserdampf um. Solche Wechsel werden Sublimation genannt.
Auch der umgekehrte Vorgang ist zu beobachten: Ein bekanntes Beispiel ist die Bildung von Raureif. Bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperaturen  im deutlichen Frostbereich kann sich Raureif bilden. Eindrücklich und schön ist an kalten Wintertagen die Raureifbildung an Bäumen, wenn gegen die Windrichtung bizarre, nadelförmige Eiskristalle in Form sechsstrahliger Dendriten entstehen. Es erfolgt also eine direkte Umwandlung vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand. Diese Aggregatzustandsänderung nennt man Resublimieren.

Das Sublimieren vollzieht sich schon bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur, aber auch bei höheren Temperaturen. Das Resublimieren geschieht schon bei Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur, aber auch bei niedrigen Temperaturen. Eine bestimmte Temperatur lässt sich im Unterschied zum Schmelzen, Erstarren, Sieden oder Kondensieren für diese Vorgänge nicht angeben.

Zum Sublimieren ist Wärme erforderlich, beim Resublimieren wird Wärme frei. Werte für die betreffenden Wärmemengen lassen sich nicht angeben, weil die Ausgangstemperaturen, die Endtemperaturen und die Mengen an Stoff, bei denen sich eine Aggregatzustandsänderung vollzieht, sehr unterschiedlich und schwer bestimmbar sind.

Betrachtet man statt einer flüssigen Wasseroberfläche eine Eisoberfläche, so gelten dieselben Überlegungen auch für Sublimation und Resublimation der Wassermoleküle. Im Eiskristallverband unterliegen die Wassermoleküle jedoch stärkeren Bindungskräftenals in flüssigem Wasser, so dass die Sättigungskonzentration über einer Eisoberfläche geringer ist als über einer Oberfläche flüssigen (unterkühlten) Wassers derselben Temperatur. Dieser Umstand spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Regentropfen in Wolken.

Mit dem Teilchenmodell kann der Vorgang beim Sublimieren dadurch erklärt werden, daß sich die kinetische Energie der Teilchen im festen Aggregatzustand infolge der Zufuhr von Wärmeenergie erhöht. Die Teilchen bewegen sich heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergrößert sich. Schließlich können einzelne Teilchen den festen Körper verlassen und sich beliebig im Raum ausbreiten. Ein geringer Teil des Stoffes wurde gasförmig.

Beim Resublimieren vollzieht sich der Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird dem Gas Wärme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Auch ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schließlich werden sie aneinander gebunden und nehmen so einen festen Platz ein, um den sie hin- und herschwingenliegen. Das Gas ist in den festen Aggregatzustand übergegangen.

Diese Phasenübergänge und die damit verbundenen energetischen Prozesse (Ernergieaufwand bzw. Energiefreisetzung sind wesentliche Antriebe für unser Wetter. Weitere Einzelheiten dazu stehen im Abschnitt Thermodynamik bzw. in den Kapiteln Temperaturgradient und Wasserdampf.

 

Verdunsten und Verdampfen

Verdunsten bezeichnet den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur, Verdampfen den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand bei Siedetemperatur.

Das Verdampfen erfolgt also stets in Verbindung mit dem Sieden. Verdampfen und Sieden sind dabei synoyme Begriffe. Am Siedepunkt ist der Druck des Dampfes gleich dem äußeren Luftdruck. Der Dampf steigt dann in Blasen in der Flüssigkeit auf und entweicht. In den Bergen ist der Luftdruck niedriger ist als auf Meereshöhe, weshalb das Wasser dort schon unter 100 °C siedet.

Von Verdunsten spricht man, wenn eine Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes nicht sichtbar in den gasförmigen Zustand übergeht.
Beispiele: Nach dem Baden verdunstet das Wasser auf der Haut. Das im Badehandtuch enthaltene Wasser verdunstet beim Trocknen. Nach dem Regen trocknen die Pfützen allmählich aus, weil das Wasser verdunstet.

An einer Wasseroberfläche treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte, vor allem durch die Wasserstoffbrückenbindungen, vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund überhaupt erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung ("Braunsche Molekularbewegung“) tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Anteil von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden. Sie können dann die Wasseroberfläche verlassen und in das Luftvolumen übergehen, also verdunsten. Ist die Wasseroberfläche wie zum Beispiel bei einem Tropfen nach außen gekrümmt, sind die Wassermoleküle an der Oberfläche weniger stark gebunden und können die Oberfläche leichter verlassen. Dieser Krümmungseffekt hat zur Folge, daß die Verdunstungsrate steigt. Wenn gesättigte Luft mit kleinen Nebeltröpfchen im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchtigkeit daher etwas über 100 %. Ist die Wasseroberfläche nach innen gekrümmt (wie zum Beispiel in einem teilweise wassergefüllten Glas), so sind die Wassermoleküle an der Oberfläche stärker gebunden und können die Oberfläche weniger leicht verlassen – die Verdunstungsrate sinkt. Wenn gesättigte Luft über dem Wasserspiegel in unserem nur teilweise gefüllten Glas mit der Oberflächenspannung des Wassers im Gleichgewicht steht, beträgt ihre relative Feuchtigkeit daher weniger als 100 %. Die Verdunstungsrate hängt also vom Anteil derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. 

Umgekehrt treffen verdunstete Wassermoleküle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberfläche und können dort je nach ihrer kinetischen Energie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vom Molekülverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist sowohl abhängig von der Dichte der Wassermoleküle in der Luft als auch vom Luftdruck selbst. Die Abhängigkeit vom Umgebungsdruck bei gegebener Temperatur ist aber nur gering. Daskann bei Bedarf durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der, abhängig von Temperatur und Druck, sich bei atmosphärischen Bedingungen im Bereich von 0,5 % bewegt.

Wie schnell eine Flüssigkeit verdunstet, ist somit abhängig

  • von der Temperatur,
  • von der Größe der Oberfläche der Flüssigkeit,
  • von der Art der Flüssigkeit,
  • davon, wie schnell die verdunsteten Anteile abgeführt werden.

Die Verdunstung ist umso stärker, je höher die Temperatur ist und je größer die Oberfläche der Flüssigkeit ist. Da die Aufnahmekapazität der Luft für Wasserdampf mit steigender Temperatur zunimmt, trocknet Wäsche an warmen Tagen schneller als an kalten, vorausgesetzt die Luft ist nicht mit Wasserdampf gesättigt. Umgekehrt schlägt sich der Wasserdampf aus der Luft in kalten Nächten als Tau nieder, weil beim Abkühlen die Aufnahmekapazität der Luft geringer wird. Der Wasserdampf kondensiert.

Es gibt eine Reihe von Flüssigkeiten, die besonders schnell verdunsten. Dazu gehören z. B. Äther, reiner Alkohol oder Benzin sowie viele Lösungsmittel. Flüssigkeiten wie Öl oder Wasser verdunsten relativ langsam. Die Abführung der verdunsteten Anteile erfolgt vor allem durch Wind. Jeder hat schon die Erfahrung gemacht, daß Wäsche schneller trocknet oder eine Straße nach dem Regen schneller trocken wird, wenn ein kräftiger Wind weht. Zum Verdunsten einer Flüssigkeit ist Wärme erforderlich. Diese wird in der Regel der Umgebung entzogen. Diese Wärme wird als Verdunstungswärme, manchmal auch als Verdunstungskälte bezeichnet. Daß bei der Verdunstung von Wasser der Umgebung Energie entzogen wird, kennt jeder vom Schwimmbad her. Das Wasser verdunstet auf der Haut und kühlt diese dabei ab, man erlebt die sog. Verdunstungskälte. Auch die hohe Verdunstungsrate bei reinem Alkohol ist leicht feststellbar: Benetzt man z.B. die Haut auf dem Arm mit Alkohol, wird durch die rasche Verdunstung der Haut Wärme entzogen. Man spürt schnell die starke Verdunstungskälte.

Das Verdunsten von Flüssigkeiten ist z. T. unerwünscht und wird z. T. genutzt.
Unerwünscht ist das Verdunsten z.B. bei Flüssigkeiten, die länger aufbewahrt oder länger transportiert werden sollen. Besonders Flüssigkeiten, die schnell verdunsten, wie Benzin, Äther, Parfüm, flüssige Kleber oder Farben werden deshalb in geschlossenen Gefäßen gelagert und transportiert. Unerwünscht ist nach dem Schwimmen im Frei- oder Hallenbad auch das Verdunsten von Wasser auf der Haut. Das kühlt diese nämlich ab und entzieht dem Körper Wärme, man erlebt die sog. Verdunstungskälte. Leicht kann das zu Erkältungen führen, weshalb man ja nasse Badebekleidung wechseln soll.
Die Nutzung des Verdunstens erfolgt z.B. beim Trocknen von Wäsche oder im medizinischen Bereich zur örtlichen Betäubung (Kältespray). Dazu wird auf die betreffende Stelle der Haut eine schnell verdunstende Flüssigkeit gesprüht. Durch das Verdunsten wird der betreffenden Stelle viel Wärme entzogen. Die Stelle wird erheblich abgekühlt und dadurch unempfindlicher. Die Verdunstung spielt nicht zuletzt auch für die Regulierung unserer Körpertemperatur eine wichtige Rolle. Bei höheren Außentemperaturen oder bei höherer Körpertemperatur z.B. bei der Arbeit oder im Sport bildet sich Schweiß auf der Haut. Dieser Schweiß verdunstet. Dazu ist ebenfalls Wärme erforderlich, die der Umgebung und besonders der Haut entzogen wird, so daß unser Körper gekühlt wird. Schweißbildung ist also eine natürliche Schutzfunktion unseres Körpers vor Überhitzung.

 

Latente Wärmeenergie

Latente Wärmeenergie (latent = lat. latere = verbergen) bezeichnet die bei einem Phasenübergang aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Latent heißt sie, weil die Aufnahme bzw. Abgabe dieser Wärme nicht zu einer Temperaturänderung führt. Ein Vorgang, bei dem die Zu- oder Abfuhr von Energie eine Temperaturänderung bewirkt, wird wegen des dabei auftretenden Energie- sprich Wärmestroms als fühlbare Wärme wahrgenommen. Es handelt sich dabei also um kinetische Energie. Die latente Wärmeenergie ist somit die Wärmeenergie, die bei konstanter Temperatur und konstantem Luftdruck für einen Wechsel des Aggregatzustands eines Stoffes benötigt bzw. dabei freigesetzt wird.
Sie wird auch Umwandlungsenthalpie genannt und bezeichnet die Wärmemenge, die beim Schmelzen oder Verdunsten von Wasser (Eis) der Luft als Wasserdampf zugeführt wird, ohne daß sich die Temperatur erhöht. Diese Wärme wird sodann beim umgekehrten Vorgang, also beim Gefrieren oder Kondensieren wieder frei. Damit Wasser verdunstet, ist relativ viel Energie notwendig, wie ober dargestellt ist. Das gilt ebenso für das Schmelzen von Eis. Dabei erhöht sich nicht die Temperatur, weshalb die zugeführte Wärmeenergie zu verschwinden scheint. Als Beispiel kann ein Topf mit kochendem Wasser dienen. Trotz weiter zugeführter Hitze, wird das Wasser nicht heißer als 100 °C. Die zusätzlich zugeführte Energie ist nun im Wasserdampf enthalten. Luft, die Wasserdampf enthält, besitzt aus diesem Grund immer eine große Energiemenge, die sich nicht in der Temperatur auswirkt, sondern latent, d.h. (verborgen) hält.

Der Begriff "latente Wärmeenergie" beschreibt somit die Wärmemenge, die im Wasserdampf als potentielle Energie gespeichert ist.

In der Meteorologie ist insoweit also das Element "Wasser" von herausragender Bedeutung, weil es bei seinen Phasenwechseln immens große Energiemengen in der Troposphäre umsetzt. Luft, die Wasserdampf enthält, besitzt aus diesem Grund auch immer eine große Energiemenge, die sich aber nicht auf die Temperatur auswirkt und deshalb latent (verborgen) genannt wird. Diese Wärmemenge wird bei der Verdunstung hauptsächlich den Wasseroberflächen entzogen. Im Wasserhaushalt der Erde werden, global betrachtet, ca. 86 % aus den Meeren und ca. 14 % von den Landflächen verdunstet. Während des Verdunstungsvorgangs (= Übergang flüssig - gasförmig) wird der Oberfläche Wärme entzogen, wobei ihre fühlbare (kinetische) Temperatur absinkt. Dieser verdunstungsbedingte Abkühlungseffekt kann bei den unterschiedlichsten Wetterphänomenen beobachtet werden.

Im Winter kann z.B. die Verdunstungsabkühlung zu einem Absinken der Schneefallgrenze führen. Fällt nämlich Niederschlag, anfangs als Regen, in eine trockene bodennahe Luftschicht, verdunstet er zunächst und kühlt dabei diese Schicht ab. Infolgedessen sinkt die Schneefallgrenze ab. Vor allem im Gebirge lässt sich dieser Vorgang gut nachvollziehen, weil dann zügig bis in die Täler Schnee fällt. Eine signifikante Verdunstungsabkühlung tritt aber bspw. auch im Umfeld von tropischen Wirbelstürmen auf. Diese beziehen ihre Energie überwiegend aus dem warmen Meeresoberflächenwasser. Durch die Verdunstung wird dem Meerwasser Wärmeenergie entzogen, was zu einer Erniedrigung der Temperatur der Wasseroberfläche führt. Im Jahr 2005 fiel mit Durchzug von Hurrikan "Katrina" fiel die Temperatur der Wasseroberfläche im Golf von Mexiko von 32 auf 31 Grad ab, wie seinerzeit Messungen gezeigt haben.

Bei der Kondensation (= Übergang gasförmig - flüssig) oder Sublimation (= Übergang gasförmig - fest) des Wasserdampfes wird die in ihm enthaltene latente Wärmeenergie wieder freigesetzt. Dabei erhöht sich die Lufttemperatur der Umgebung. Dieser kondensationsbedingte Erwärmungseffekt tritt z.B. bei der Wolken- und Niederschlagsbildung auf. Bei Haufenwolken allgemein, besonders ausgeprägt aber bei Gewitterwolken (Cb) ist diese Freisetzung der latenten Wärmeenergie von Bedeutung. Je mehr Wasserdampf kondensiert, umso mehr Wärmeenergie wird freigesetzt und desto stärker können sich die konvektiven Aufwinde in der Wolke entwickeln. An schwülheißen Sommertagen, an denen die Luft über einen hohen Feuchtegehalt verfügt, können sich daher bevorzugt kräftige Gewitter entwickeln.

 

Sättigungskurve

Sättigung

Die Menge Wasserdampf, die im Gleichgewicht von Verdunstung und Kondensation in der Luft enthalten ist bezeichnet man als Sättigungsmenge oder maximale Luftfeuchtigkeit. Sie ist umso größer, je höher die Temperatur und je tiefer der Luftdruck ist. Denn in beiden Fällen kann viel mehr Wasserdampf in der Luft vorhanden sein, bis sich das Gleichgewicht einstellt. Häufig jedoch ändern sich Luftdruck oder Temperatur,bevor sich ein Gleichgewicht hat einstellen können und die Sättigungsmenge erreicht ist. Die Sättigungsmenge bei einer bestimmten Temperatur lässt sich in Form einer Kurve, der Sättigungskurve darstellen.

Wie viel Wasserdampf effektiv in der Luft vorhanden ist, gibt man meist als Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft (g/m³) an. Man nennt dies die absolute Luftfeuchtigkeit. In derselben Einheit wird auch die Sättigungsmenge angegeben. Zudem kann mit der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Sättigungsmenge die relative Luftfeuchtigkeit berechnet werden. Sie gibt an, wie viel Prozent die momentane Menge an Wasserdampf in der Luft, also die absolute Luftfeuchtigkeit, von der Sättigungsmenge ist. Sie wird folgendermaßen berechnet:

Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% entspricht die absolute Luftfeuchtigkeit also gerade der Sättigungsmenge.

Wird ein „Luftpaket“ abgekühlt, bleibt die absolute Luftfeuchtigkeit zunächst gleich. Die relative Luftfeuchtigkeit wird jedoch immer höher, da ja die Sättigungsmenge bei tieferen Temperaturen kleiner ist. Irgendeinmal wird eine Temperatur erreicht, bei der eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% erreicht wird, die Luft also gesättigt ist. Diese Temperatur nennt man den Taupunkt. Wird das Luftpaket unter den Taupunkt abgekühlt, beginnt der Wasserdampf zu kondensieren, da die Kondensationsrate in diesem Augenblick größer als die Verdunstungsrate ist. Es kondensiert so viel Wasser, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt wird, die relative Luftfeuchtigkeit also 100% beträgt. Das kondensierte Wasser kann je nachdem in Form von Wolken, Regen, Tau oder – wenn der Wasserdampf sublimiert, also direkt gefriert – als Schnee oder Reif in Erscheinung treten.

relative Feuchte

Die Verdunstungsrate des Wassers kann bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten. Es dauert daher längere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Störung wieder eingestellt hat. Wurde zum Beispiel durch nächtliche Abkühlung ein Teil des Feuchtigkeitsgehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwärmung zunächst ungesättigt und kann den Sättigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsättigung ist für unsere Atmosphäre wegen der häufigen Temperaturschwankungen der Normalfall. Es ist für zahlreiche Vorgänge von großer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sättigungszustand entfernt ist. Die verschiedenen Feuchtigkeitsmaße dienen dazu, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.

Bei Erhöhung der Temperatur nimmt der Anteil an Wassermolekülen zu, welche genügend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberfläche zu verlassen (siehe oben Verdunstung). Es stellt sich also eine höhere Verdunstungsrate ein, welche zur Wiederherstellung des Gleichgewichts durch eine höhere Kondensationsrate kompensiert werden muss, was aber eine höhere Konzentration von Wassermolekülen in der Luft voraussetzt. Die Sättigungskonzentration des Wasserdampfs nimmt daher, wie in der Sättigungskurve (links oben) dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der Wasserdampf hat für jede Temperatur (und fast unabhängig vom Umgebungsdruck) eine eindeutig bestimmte Sättigungskonzentration. Bei atmosphärischem Normaldruck von 1013,25 hPa kann ein Kubikmeter Luft bei 10 °C maximal 9,41 g Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 °C schon 30,38 g Wasser auf und bei 60 °C sind es schon über 100 g Wasser. Man bezeichnet diese Sättigungskonzentration als maximale Feuchtigkeit. Diesen Zusammenhang zeigt die Tabelle rechts.

 

Sättigungsdampfdruck

Der Sättigungsdampfdruck ist der Druck der dampfförmigen Phase eines Stoffes, wenn dessen flüssige und dampfförmige Phasen sich im Gleichgewicht befinden. Er  ist lediglich von der Temperatur abhängig. Der Sättigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur ist daher der Druck, der über der flüssigen Phase entsteht, wenn die Verdampfung bzw. Sublimation der Flüssigkeit bzw. des Feststoffes mengenmäßig gleich der Kondensation bzw. Resublimation des Gases ist. Keine der Phasen wächst dann auf Kosten der anderen, wodurch beide nebeneinander stabil existieren können. Bei einer Temperatur- oder Volumenänderung verdampft oder kondensiert so viel des Stoffes, bis im Gleichgewicht der Druck wieder den Sättigungsdampfdruck erreicht. Der Sättigungsdampfdruck ist damit ein Maß für den Anteil derjenigen Moleküle oder Atome, die genügend Energie besitzen, die Kohäsionskräfte und die Oberflächenspannung eines Stoffes zu überwinden und in die gasförmige Phase zu wechseln.

Wichtige Beispiele sind Wasserdampf und Luftfeuchtigkeit. Viele Feuchtemaße werden über Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck definiert oder berechnet, besonders im Zusammenhang der relativen Luftfeuchtigkeit, des Sättigungsdefizits und des Taupunkts. Die mit dem Sättigungsdampfdruck beschriebenen thermodynamischen Eigenschaften sind von größter Bedeutung und finden auch in nahezu allen naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen eine mannigfaltige Verwendung, wobei Wasser hier zwar den wichtigsten Stoff darstellt, diese Anwendungen jedoch auch keineswegs auf Wasser beschränkt bleiben. Besonders bedeutungsvoll sind hierbei die Effekte (siehe unten) einer realen Umgebung auf den theoretisch hergeleiteten Sättigungsdampfdruck, da sich hieraus viele für die Meteorologie aber auch für technische Anwendungen wichtige Erkenntnisse und Anwendungen ableiten.

Bei Bildung von Flüssigkeitspartikel an Kondensationskernen tritt zusätzlich der Krümmungseffekt auf. Es zeigt sich dabei, dass über den gekrümmten Oberflächen der entstehenden Flüssigkeitstropfen ein höherer Sättigungsdampfdruck auftritt, als im Vergleich zu einer planaren Wasseroberfläche. Liegt die Flüssigkeit bei einer Änderung des Aggregatzustands nicht als Reinstoff vor, so muss man auch den Lösungseffekt beachten. Die in der Flüssigkeit gelösten Teilchen erschweren es hierbei den Flüssigkeitsverbund zu verlassen, weshalb der Sättigungsdampfdruck niedriger ist, als es bei einer reinen Flüssigkeit der Fall wäre. Unter atmosphärischen Bedingungen treten beide Effekte meist gemeinsam auf und bedingen sich gegenseitig.

 

Wasser - ein ganz besonderes Molekül    

Wassermolekül

Das Wassermolekül:
weiß = Wasserstoff,
blau  = Sauerstoff.
Das  Molekül hat eine negativ und zwei positiv geladene Seiten.

Wasserstoffbrücke

Bindungen mit Wasserstoffbrücken (punktierte Linien)

Die chemische Formel von Wasser - H2O - ist dürfte wohl die bekannteste Formel der Welt sein und trotzdem überrascht Wasser die Wissenschaft bis heute. Wasser ist nämlich in vielerlei Hinsicht nicht "normal"
- und das ist auch gut so.

Für ein Molekül seiner Größe hat Wasser eigentlich einen viel zu hohen Schmelzpunkt (0 °C). Zudem verdampft es erst bei 100 °C. Nur deswegen kann es auf der Erde überhaupt Flüsse und Seen geben. Außerdem werden Stoffe "normalerweise" dichter, je kälter sie werden - Wasser aber nicht. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser, so daß z.B. Lebewesen unter der Eisdecke überleben können. Auch die Wärmespeicherkapazität von Wasser ist viel größer, als es einem Molekül seiner Größe zukommt - nur darum können Meeresströmungen das Klima in Europa so angenehm machen.

Wasserdampf hat andererseits eine geringere Dichte und deshalb leichter als trockene Luft. Daher ist feuchte Luft stets bestrebt nach oben aufzusteigen, was zur gründlichen Durchmischung der Atmosphäre sorgt. Ansonsten würde die feuchte Luft am Boden liegen bleiben - ein unerträglich feucht-schwüles Klima wäre das Ergebnis

Der Grund für dieses besondere Verhalten liegt in der Struktur des Wassermoleküls:
Das Molekül ist aufgebaut wie ein V (siehe Abbildung rechts oben). Unten am V sitzt das Sauerstoff-Atom, oben die beiden Wasserstoff-Atome. Diese sind positiv, das Sauerstoff-Atom ist aber negativ geladen. So können sich die Wasserstoff-Atome eines Wasser-Moleküls (über eine sog. Wasserstoffbrücken-Bindung) an die Sauerstoff-Atome eines anderen Wasser-Moleküls anlagern. Auf diese Weise bilden sie Verbände, die größer sind und zudem andere Eigenschaften haben als das eigentliche Wasser-Molekül (siehe Abbildung rechts unten). Dies ermöglicht die Entstehung von “Netzen”, was die besonderen Eigenschaften des Wassers erklärt.

Diese besonderen Eigenschaften machen Wasser zu dem zentralen Element des Lebens auf der Erde. Es vermag durch seine polare Struktur viele Stoffe zu lösen und ist dadurch das universale Lösemittel in vielen Stoffwechselvorgängen. zugleich kann es durch seine stabile Struktur aber auch andere Stoffe stabilisieren, etwa Eiweiße oder die Erbsubstanz DNA. Wie wichtig Wasser für das Leben ist, machen folgende Zahlen deutlich:
Der Körper des Menschen besteht zu etwa 60 %, das Gehirn sogar zu 70 - 75 % aus Wasser

(Kommentar zur letzten Zahl: Hab ich mir doch gleich gedacht!).

 

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