Warum sprengt frierendes Wasser Gestein und andere Materialien?

7 Antworten

Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Hallo,

die Antwort ist nicht trivial, ich möchte es hier aber versuchen: Das Wasser versucht wie jedes thermodynamische System auch, seine freie Enthalpie G = U + pV -TS zu minimieren. U: innere Energie (in erster Näherung proportional zur Temperatur) p: Druck V: Volumen T: Temperatur S: Entropie

Beim Übergang von flüssig zu fest (das Wasser gefriert) ändert sich die Kristallstrukur zum Eis (Phasenübergang), da der Gewinn durch den Termin -TS größer ist als durch eine Minimierung von U. Anders ausgedrückt: Bei einer Temperatur von 0 Grad schneiden sich die Funktionen U für beide Zustände fest und flüssig: Bei Temperaturen oberhalb von 0 Grad ist U für den flüssigen Zustand kleiner, ist die Temperatur aber kleiner als 0 Grad, gewinnt U für den festen Zustand (Eis). Der so motivierte Phasenübergang geht einer Umordnung der Moleküle einher, welche Energie während des Gefrierens freisetzt. Diese beträgt 334 kJ/kg Wasser. Frei formuliert: Die Moleküle rücken während des Gefrierens zusammen und dies bringt Energie. Diese war vorher als potenzielle Energie der intermolekularen Anziehung der Wassermoleküle gespeichert. Moleküle rücken zusammen -> potenzielle Energie der Anziehungskräfte verringert sich -> diese Energie wird frei -> Gestein wird gesprengt. Den Fehler, welchen viele begehen, lautet: Ein thermodynamisches System nimmt immer den Zustand der günstigsten Energie an. Dies ist falsch! Ein System nimmt den Zustand der günstigsten freien Enthalpie G (Definition siehe oben) an. ZUsätzlich habe ich ein Bild angefügt, welches die freie Enthalpie G als Funktion der Temperatur für verschiedene Aggregatzustände zeigt. Dort, wo sich zwei Kurven schneiden, findet ein Phasenübergang statt (fest->flüssig oder flüssig->gasförmig).

Viele Grüße Peter

Hallo Peter!

Ich entdecke zwar das Bild nicht, das du angekündigt hast^^ und musste mich beim Lesen deines Textes auch echt zusammenreißen (ich werde den Vorgang solange wiederholen, bis der Inhalt vollständig durchdrungen in meinem Kopf angelangt ist.:-)), aber dennoch gebührt dir mein Dank für deine Mühe, diese aufwendige Erklärung zu schreiben! Dafür bekommst du von mir die Auszeichnung.

Viele Grüße zurück vom Fragensteller:-)

0

Du beschreibst mit Sätzen wie "Die Moleküle rücken beim Gefrieren zusammen..." und "Energie wird frei" den Vorgang des Gefrierens einer Flüssigkeit, die keiner Dichteanomalie unterliegt. Genau bei diesen Flüssigkeiten würde aber das Gestein nicht gesprengt werden. Wasser unterliegt aber gerade einer Dichteanomalie, hier ist der Grund für das Sprengen des Felsens zu suchen, nicht in der der Tatsache, das beim Gefrieren die Schmelzwärme frei wird, dies ist nämlich wie gesagt bei allen Flüssigkeiten so und führt bei den meisten von ihnen eben gerade nicht zur Zerstörung des Felsens.
Flüssiges Wasser hat wesentlich mehr Entropie als festes Wasser. Beim Gefrieren wird diese Entropie frei. Zusammen mit diesem Entropiestrom ist aber über die Temperatur ein bestimmter Energiestrom gekoppelt, der nun wegen der nicht zu vernichtenden Entropie an diese gebunden ist und gerade nicht für mechanische Arbeit verwendet werden kann.

0

lks hat mal wieder Recht. In dieser Erklärung wird behauptet, Wassermoleküle würden beim Gefrieren zusammenrücken. Damit ist sie leider die einzige wirklich falsche Antwort (bisher), auch wenn sie auf den ersten Blick am professionellsten aussieht.

0

Hallo, die genaue Antwort weiss ich auch nicht aber ich habe mal ein paar Chemie-Bücher gewälzt, da ich die Frage interessant finde. Folgendes habe ich gefunden: "Beim Gefrieren dehnt sich Wasser um 9% aus." Riedel:Anorganische Chemie, de Gruyter, 1999 "Eines der Hauptunterschiede von Wasser zu anderen Stoffen ist der Verlauf der Dichtekurve. Im flüssigen Zustand hat Wasser die größte Dichte bei einer Temperatur von +4°C. Unterhalb nimmt die Dicht wiederum ab und das Volumen das flüssigen Wassers demnach zu. Auch diese Eigenart resultiert aus dem molekularen Aufbau des Wassers. Temperaturabnahme ist gleichzusetzen mit der Abnahme der Molekularbewegung. Unterhalb von +4°C ist diese Bewegung soweit zurückgegangen, dass sich die Wasserstoffbrücken regelmäßig ausbilden und die Einregelung der Moleküle in ein Gitterverbund erfolgt (Abb.5). Dieses Auskristallisieren, das mit dem Gefrierpunkt (0°C) seine Vollendung findet ruft eine Volumenzunahme hervor. Das Volumen des Eises verringert sich wiederum bei weiterem Temperaturrückgang."

Hier gefunden: http://www.wasser.de/aktuell/forum/index.pl?job=thema&tnr=100000000001563

Wow, vielen Dank für den Aufwand! Ich glaube, ich müsste mir mal so eine Dichtekurve vom Wasser in Abhängigkeit zur Temperatur ansehen^^. Die scheint ja hoch und runter zu gehen:-) Naja, heißt ja nicht umsonst "Anomalie" des Wassers...

0

ja das hat was mit der anomalie des wasser zu tun: -wasser dringt durch risse in den stein ein -die temperatur sinkt -wasser hat bei 4°C die größte dichte -wasser gefriert und ist somit im stein eingesperrt -das wasser dehnt sich aufgrund der anomalie aus -das wasser hat aber keinen platz um sich auszudehnen -der stein gibt nach und platz (oder bekommt zumindest risse) -das wasser kann sich in ruhe weiter ausdehnen

Warum nimmt Wasser keine Energie auf? Bzw. warum findet keine Energieübertragung statt?

Wir halten ein Referat über das Tauchen und finden über Google keine Antwort auf die frage warum keine Energieübertragung stattfindet. Unser Text sagt, dass unter Druck gesetztes Wasser keine Energie aufnimmt, da ohne Bewegung keine mechanische Energieübertragung stattfindet.

Wir fragen uns: Wasser bewegt sich doch, oder?? :D

Wären über Antworten dankbar.

...zur Frage

Wenn in einem Fluss ein Stromkabel kaputt geht fließt der Strom dann Flussaufwärts (Stromaufwärts) oder abwärts?

...zur Frage

Wie kann ich Wasser die Wärme entziehen?

Hallo zusammen Ich habe mich bei meinem fit Thema für den Kältespeicher/Eisspeicher entschieden . Nun zu meiner Frage wie kann ich Wasser die Wärme so lange entziehen bis es gefriert (Muss ein Modell bauen)

Danke im voraus.

...zur Frage

Könnte man aus der Ausdehnung des Eises beim gefrieren Energie schöpfen?

Ich bin mir nicht genau sicher, wie das mit der Energieerhaltung ist, aber wenn etwas gefriert, muss sich dadurch etwas anderes erwärmen. Daher wird Energie abgegeben und nicht verbraucht.

Wenn man jetzt z.B. In der Arktis ist und ein 10m langes Rohr hat, dieses mit Wasser befüllt und es gefrieren lässt. Dann müsste das Wasser beim Gefrierprozess 1m nach vorn drücken( 10% Ausdehnung wenn wasser zu Eis wird). Dieser Druck ist doch eine art Freisetzung von Energie.

...zur Frage

Elektrische Arbeit Definition

In Wikipedia wird elektrische Arbeit folgendermaßen definiert: Bei der Übertragung von Energie mit Hilfe der Elektrizität spricht man auch von elektrischer Arbeit.

Mechanische Arbeit haben wir in der Schule so def.: Mechanische Arbeit wird verrichtet, sobald ein Körper von einer längs eines weges wirkende Kraft verformt oder bewegt wird. Mechanische Arbeit ist eine Prozessgröße.

Wenn ich mir jetzt daraus selbst eine def. für elektrische Arbeit ableiten will, stimmt es dann, wenn ich sage: Elektrische Arbeit wird verrichtet, wenn Energie mit Hilfe der Elektrizität übertragen wird. ?

Aber da fehlt was, denn es die Zeit spielt ja auch noch eine Rolle, wie steht diese im Zusammenhang mit der spannung und der Stromstärke. Und was heißt "übertragen"? Heißt das, dass durch elektr. arbeit elektr. energie umgewandelt wird in Wärme-/Licht-/Bewegungsenergie, um einen körper zu bewegen??

Danke schon mal an alle, die mir helfen :)

...zur Frage

Energie aus Eisspeicher

Hallo zusammen

Ich habe davon erfahren, dass man mit Eis heizen kann. Soweit ich das verstehe wird dem Wasser die ganze Energie entzogen bis es gefriert. Diese Energie nutzt man dann mit einer Wärmepumpe zum heizen. Nun meine Frage: Was ist das für eine Energie, die entzogen wird? Wie wird aus dem kälter werdendem Wasser Wärme? Kann man diese Energie in einem Experiment irgendwie feststellen, messen oder so?

...zur Frage

Was möchtest Du wissen?