Gefriert Wasser, auch wenn es keinen Platz hat um sich auszubreiten?
Angenommen man hat einen Riesigen, perfekten Stahlwürfel (hohl), 3 auf 3 Meter, absolut undurchlässig und unzerstörbar. Diesen füllt man dann mit Wasser, bis kein Tropfen mehr rein passt. Dann stellt man das Ganze in eine Gefrierkammer und wartet. Eigentlich sollte das Wasser mit der Zeit gefrieren. Aber da der Würfel schon zu 100% ausgefüllt ist, und Eis mehr Volumen hat als Wasser, also mehr Platz braucht, was wird passieren?
Edit: es wird fingiert, dass der Würfel tatsächlich absolut unzerstörbar und nicht deformierbar ist.
11 Antworten
Klar gefriert das Wasser in dem Behälter. Nicht sofort und nicht gleich alles auf einmal, aber spätestens bei ca. 250 K ist alles fest. Darunter gibt es kein flüssiges Wasser mehr, sondern nur noch verschiedene Kristallisationsformen von Eis.
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phase_diagram_of_water.svg
Wenn etwas keinen Platz hat, um sich auszubreiten, dann ist es komprimiert und steht unter Druck. Das hat mit dem Aggregatzustand (fest/flüssig/gasförmig) gar nichts zu tun. Es gilt für Eis genauso wie für die Luft in einer Pressluftflasche, die dort ja auch keinen Platz hat, um sich so auszubreiten wie sie andernfalls könnte, und darum komprimiert und unter Druck ist.
Nur ist bei flüssigen und festen Körpern das Kompressionsmodul, das die Volumenänderung unter Druck angibt, viel größer als bei gasförmigen Körpern. Deshalb sagt man in der technischen Umgangssprache, daß Wasser "inkompressibel" sei, aber das ist es nicht.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kompressionsmodul
Wie groß der Druck in dem Behälter wird, wenn alles Wasser gefroren ist, das hängt vom Kompressionsmodul des Eises ab. Hierfür findet man unterschiedliche Angaben. Vermutlich ist der Wert nicht ganz leicht zu bestimmen und er wird auch vom Kristalltyp abhängen, den das Eis unter Druck ja ändert.
https://www.google.de/search?q=Bulk+modulus+ice
Ob der Behälter vorher platzt, wie einige hier vorhersagten, das hängt allein von seiner Festigkeit ab. Wie ein Behälter technisch realisierbar wäre, der für Dein Experiment haltbar genug ist, das ist ein Thema für sich.
Es wird frieren! Aber mit einer kleinen Einschränkung:
Durch die Enge und die Druckerhöhung wenn es sich ausdehnt wird sich der Gefrierpunkt nach unten verschieben. Es wird also auch unter 0°C noch flüssig sein.
Als kleines Experinment kannst Du eine Wasserflasche (am Besten PET-Mehrweg, die sind recht stabi) mal langsam runter kühlen auf unter Null. Z.B. im Kühlfach.... Wenn Du die gut durch-gekühlt und der Druck in der Flasche groß genug um das Wasser noch flüssig zu halten, aber eben noch nicht so groß ist, dass es die Flasche sprengt, nimmst Du sie raus und drehst sie auf. Stell sie dann aber schnell ab, denn spätestens wenn dann der Druck wieder raus ist wird das unterkühlte Wasser blitzartig frieren, d.h. Du kannst dem Wasser in der Flasche beim Auskristallisieren zugucken - geht recht schnell... Dabei könnte die Flasche dann aber tatsächlich auch platzen, deswegen eben aufschrauben und dann nicht mehr in der Hand halten.
Aber wie gesagt: letzten Endes wird das Wasser immer frieren, wenn Du es nur tief genug kühlst. Den Platz den es dafür braucht, wird es sich dann schon schaffen! Der Behälter o.Ä. wird bersten...
Danke für den Hinweis. Als Ergänzung kann ich allerdings sagen, dass ich letzten Winter dieses Experiment unfreiwillig gemacht habe: wir haben zum kühlen bei uns eine Kiste Mineralwasser auf dem Balkon gelagert. Das geht normalerweise auch gut - selbst wenn es schneit und unter Null geht. Allerdings ist mir dann genau das was ich oben beschrieben habe bei öffnen einer Flasche passiert: "Blitzeis" und geplatzte Glasflasche. Da das Wasser eigentlich einen recht hohen Natriumgehalt hat, kann von reinem Wasser keine Rede sein.
Aber die Erklärung mit den Kristallisationskeimen ist auch nicht falsch - jeden Falls kenne ich diese von den Taschenwärmern bei denen man ein Stahlplättchen im Inneren Knickt und damit die Kristallisation auslöst. Im Fall meiner Wasserflasche werden die beiden Effekte werden vermutlich zusammen kommen.
Da wird man sehr schnell merken, wieviel Kraft Wasser entwickelt.
Damit kannst du ALLES sprengen. Ist die Temperatur niedrig genug, gibt keinen Stoff der solch einen Druck aushalten könnte.
Danke für den Link. In der Schule hatten wir das nicht. Man kann eben immer wieder was neues dazulernen.
Zuerst nicht.
Es wird flüssig bleiben, weil der Druck durch den geringen Kompressionskoeffizienten des Wassers ziemlich rapide ansteigen wird.
Sobald der Druck eine Wert von etwa 1000 bar überschreitet, passieren ziemlich interessante Dinge mit dem Wassereis.
Das Wasser als physikalischer Stoff hat nicht nur die eine 4°C Dichteanomalie, die du in der Schule gelernt hast - sondern noch einige andere.
Wassereis (unter sehr hohem Druck) besitzt 16 verschiedene Kristallstrukuren und 5 unterschiedliche amorphe Zustände.
Ist zwar ein schönes Experiment, aber die Ursache ist nur indirekt der Druck.
> Wenn Du die gut durch-gekühlt und der Druck in der Flasche groß genug um das Wasser noch flüssig zu halten,
Mit den wenigen Bar Überdruck, die die PET-Flasche aushält, kannst Du den Gefrierpunkt nur um etwa ein zehntel Grad senken.
https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_diagram#Crystals
Durch Schütteln der Flasche kannst Du das Gefrieren auch auslösen, wenn auch nicht so schnell wie durch Öffnen. Sauberes Wasser lässt sich, auch bei Normaldruck, deutlich unter den Gefrierpunkt abkühlen, ohne fest zu werden, wenn ihm die Kristallisationskeime fehlen (Verunreinigungen, an denen die Eisbildung beginnt).
Beim Öffnen bilden sich Gasblasen, diese dienen als Kristallisationskeime und starten die Eisbildung.