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bishop
Moderator
Anmeldungsdatum: 19.07.2004
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 bishop Verfasst am: 02. Jan 2009 21:09 Titel: Phasenübergang bei unterkühltem Wasser |
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ich war mir nicht sicher ob das jetzt Thermodynamik oder Quantenphysik ist, also erstell ichs mal im "Sonstiges"-Bereich^^
Jedenfalls haben wir bei einem Versuchspraktikum einen Stirling Motor als Kältemaschine betrieben, und den Temperaturverlauf einer Wasserprobe (1ml) im Kühlraum aufgenommen (Protokoll siehe unten)
Man sieht wie sich das Wasser linear auf knapp -3°C abkühlt und dann sprunghaft wärmer wird und sich dann erstmal nicht ändert. Offensichtlich ist das der Zeitpunkt in dem das Wasser zu Eis auskristallisiert, das daraufvolgende Plateau ist auch leicht zu verstehen, allerdings finde ich keine sinnige Erklärung für den leichten aber deutlichen Temperaturanstieg beim Phasenübergang. Die Kristallisation kostet doch sogar energie, warum wird das Gemisch trotzdem wärmer?
kann mir gut vorstellen, dass das eine der vielen anomalien von Wasser ist, aber vielleicht können das andere Flüssigkeiten auch? Hoffentlich weiss wer Rat oder kann was dazu beisteuern
gruß, bishop
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| mit meinen incredible paint skills verfeinert :D |
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Gargy
Anmeldungsdatum: 24.11.2006
Beiträge: 1046
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| Gargy Verfasst am: 02. Jan 2009 22:30 Titel: |
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Ich kenne diese „Unterkühlung“ von den Kristallisationskurven bei Glas. Die Schmelze kann unter den Erstarrungspunkt abgekühlt werden. Bei Erschütterung oder durch irgend einen Keim kristallisiert die Schmelze dann schlagartig. Dabei wird – Achtung, jetzt wird’s unsicher – Wärme frei, weil sich die Bindung ändert. Ich weiß, etwas deutlicher hätt's ruhig sein dürfen, aber ich krieg's gerade nicht besser zusammen.
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bishop
Moderator
Anmeldungsdatum: 19.07.2004
Beiträge: 1133
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| bishop Verfasst am: 03. Jan 2009 11:59 Titel: |
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ja genau, so einen Mechanismus stelle ich mir in etwa auch vor, allerdings kann ich ihn mir nicht erklären. Wikipedia drückt sich sehr vage aus mit | Zitat: | Meist wird angenommen, der Gefrierpunkt von Wasser sei Null Grad Celsius. In der Tat liegt der Schmelzpunkt von Eis genau bei dieser Temperatur. Beim Gefrieren verhält es sich aus thermodynamischen Gründen jedoch anders.
Normalerweise sind in Wasser durch die zufällige Molekülbewegung immer einige Anhäufungen (englisch cluster) von Wassermolekülen in geordneter Form vorhanden – diese werden Eiskristall–Embryonen genannt. Sie zerfallen jedoch genau so schnell wieder wie sie gebildet wurden und wachsen nicht weiter, denn es gibt für Kristalle, also auch für Eis, eine gewisse Mindestgröße (kritischer Keimradius): Bei −5 °C müssen sich etwa 50.000 Wassermoleküle geordnet zusammenlagern, bevor der Eiskristall-Embryo stabil ist und weiter wachsen kann, bei −20 °C müssen es immer noch einige hundert sein und zufällige Anhäufungen dieser Größe sind immer noch recht unwahrscheinlich. Erst bei etwa −40 °C ist weiteres Wachstum zu erwarten, denn hier reichen bereits Cluster von 70 Molekülen.
Der Vorgang, durch den Eiskristall-Embryonen eine ausreichende Größe erhalten, die sie stabilisiert und zu einem Eiskristall wachsen lässt, wird Eis-Nukleation genannt. Ist nur Wasser beteiligt, handelt es sich um homogene Eis-Nukleation und diese tritt erst nach einer Unterkühlung (englisch supercooling) auf etwa −40 °C ein.
Wenn jedoch Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften vorhanden sind (sei es als Partikel im Wasser, sei es an der Oberfläche eines Behälters), wirken diese stabilisierend auf Kristall-Embryonen und die Nukleation setzt bereits bei höheren Temperaturen ein (heterogene Eisnukleation). |
Ich war ja gerade bei diesen ca -5°C, also hat es bei uns ca 50000 Moleküle zu einem solchen Cluster angeordnet gebraucht um eine Kristallisation zu ermöglichen. Könnte es sein, dass es diese Struktur ist, die die Energie liefert wenn sie aufbricht? Denn die Moleküle in diesem Cluster sind immer noch flüssig, aber dennoch zusammen. Wenn sie dann "richtig" gefrieren müssten sie ihre Bindung kurz aufbrechen um sich zu der hexagonalen Struktur des Eis zusammenzulagern, was Energie freiwerden lässt. Die Frage ist eigentlich ob es diieser Effekt von der Größenordnung her schafft eine Erwärmung um mehrere Grad zu bewirken, dank der Wärmekapazität des Wassers ist das ziemlich viel Energie, die in so einem statistischen Vorgang stecken müsste...
Ich bin jetzt relativ viel am fabulieren, das sind Dinge, die wir nicht im Studium behandelt haben, und wohl auch nicht behandeln werden, aber evtl kommen wir auch auf eine brauchbare Lösung 
gruß
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Gargy
Anmeldungsdatum: 24.11.2006
Beiträge: 1046
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| Gargy Verfasst am: 13. Jan 2009 15:25 Titel: |
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Mehr als dies hier kann ich leider nicht dazu beitragen.
Der ist auch gut
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