Was dehnt sich bei Kälte aus?

Was dehnt sich bei Kälte aus: Der Wassereffekt

Was dehnt sich bei Kälte aus und warum verhalten sich manche Stoffe anders als üblich? Das Verständnis dieser physikalischen Besonderheit hilft dabei, alltägliche Phänomene wie gefrierende Leitungen oder das Platzen von Gefäßen korrekt einzuschätzen. Entdecken Sie hier die wissenschaftliche Erklärung hinter dieser interessanten Volumenvergrößerung beim Übergang in den festen Zustand.

Was dehnt sich bei Kälte aus?

Kälte führt bei fast allen Materialien dazu, dass sie ihr Volumen verringern und dichter werden. Die Frage, was dehnt sich bei kälte aus, lässt sich daher kaum mit einer langen Liste beantworten, da Wasser hier eine der bekanntesten Ausnahmen darstellt. Diese physikalische Besonderheit ist jedoch entscheidend für das Leben auf der Erde.

Die Dichteanomalie von Wasser

Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich kontinuierlich zusammen, wenn sie abkühlen. Wasser verhält sich bis zu einer Temperatur von 4 Grad Celsius genau so. Sinkt die Temperatur jedoch weiter ab, vollzieht sich eine Kehrtwende.

Beim Abkühlen von 4 Grad Celsius bis zum Gefrierpunkt nimmt das Volumen von Wasser wieder zu.^[1] Das liegt an der speziellen Anordnung der Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen. In dieser Phase ordnen sich die Moleküle in einer offeneren, gitterartigen Struktur an, wodurch das Eis letztlich ein größeres Volumen einnimmt als das flüssige Wasser zuvor.

Warum das Eis schwimmt

Durch diesen Prozess, auch als dichteanomalie wasser einfach erklärt bekannt, dehnt sich Wasser beim Gefrieren um etwa 9 Prozent aus. Da das gleiche Gewicht nun mehr Platz einnimmt, verringert sich die Dichte. Das ist der Grund, warum Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser aufweist und oben schwimmt.

Hätte Wasser diese Eigenschaft nicht, würden Seen von unten nach oben gefrieren. Das Eis würde als schwerer Klotz auf den Grund sinken, was für Fische und andere Lebewesen im Winter fatal wäre. In der Realität bildet die Eisschicht an der Oberfläche eine isolierende Decke, die das darunterliegende Wasser vor dem weiteren Durchfrieren schützt.

Gibt es weitere Materialien mit diesem Verhalten?

Neben Wasser gibt es nur sehr wenige Stoffe, die eine vergleichbare Ausdehnung bei abnehmender Temperatur zeigen. Zu diesen materialien negative thermische expansion gehören bestimmte Modifikationen von Silizium und Germanium sowie spezielle Samarium-Verbindungen.

In der Technik ist dieses Wissen oft von Bedeutung, um Schäden zu vermeiden. So platzen beispielsweise mit Wasser gefüllte Glasflaschen im Eisfach fast immer, da das starre Glas der Ausdehnung beim Gefrieren keinen Raum lässt. Kupferrohre in Heizsystemen sind ebenfalls gefährdet, wenn sie im Winter nicht vor Frost geschützt sind.

Verhalten bei Abkühlung im Vergleich

Standard-Materialien (z. B. Metalle, Öle)

Nimmt ab

Nimmt zu

Wasser

Nimmt zu

Nimmt ab

Der geplatzte Rohrschaden bei Familie Schmidt

Familie Schmidt aus einem Vorort von Leipzig hatte im letzten Januar einen Vorfall, der sie völlig unvorbereitet traf. Trotz eines kalten Winters ließen sie den Wasserhahn im ungeschützten Gartenhaus zugedreht.

In der Nacht sank die Temperatur auf minus 12 Grad Celsius. Das Wasser, das noch in den Kupferleitungen des Gartenhauses stand, begann zu gefrieren.

Die Familie bemerkte den Fehler erst Tage später, als sie das Wasser für den Frühjahrsputz wieder aufdrehen wollten. Die Leitung war an einer Stelle deutlich aufgeweitet und schließlich gerissen.

Die 9 Prozent Volumenausdehnung des gefrierenden Wassers hatten die metallene Wandung buchstäblich gesprengt. Seitdem weiß Herr Schmidt, dass man solche Leitungen im Herbst immer vollständig entleeren muss.