Warum jetzt Schlösser einfrieren und Eisberge schwimmen

Wasser hat bei 4°C eine Dichte von 1kg/l – die größte Dichte, die man bei Wasser beobachtet. Gefriert Wasser zu Eis, hat es bei 0°C nur noch eine Dichte von 0,92 kg/l. Wegen der geringeren Dichte treibt das gefrorene Wasser nach oben. Der Eisberg schwimmt.
Wasser hat bei 4°C eine Dichte von 1kg/l – die größte Dichte, die man bei Wasser beobachtet. Gefriert Wasser zu Eis, hat es bei 0°C nur noch eine Dichte von 0,92 kg/l. Wegen der geringeren Dichte treibt das gefrorene Wasser nach oben. Der Eisberg schwimmt.
Foto: Getty Images
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasser zeigen sich vor allem bei Kälte. Das erklärt auch, warum jetzt wieder Scheiben beschlagen.

Essen.. Und weshalb verbraucht das Auto im Winter mehr Benzin? In der kalten Jahreszeit gibt es viele Phänomene, die sich aus chemischer oder physikalischer Sicht erklären lassen. Ein Stoff, an dem die Auswirkungen von Kälte am deutlichsten werden, ist das Wasser.

Was ist Wasser eigentlich?

„Wasser ist von seinen chemischen Eigenschaften her ein faszinierender Stoff, obwohl es nur aus zwei Elementen besteht“, sagt Physiker Dr. Christian Weiss vom Forschungszentrum Jülich. Ein einzelnes Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, die eine chemische Bindung eingehen. „Obwohl es ein so einfacher Stoff ist, hat es starke Temperatureffekte.“

Welche Auswirkung hat Kälte auf Wasser?

„Wasser begegnet uns in fester, flüssiger und gasförmiger Form, wobei gerade die Übergänge zwischen diesen Aggregatzuständen interessante Phänomene hervorbringen“, sagt Weiss. „Im Winter wird das sichtbar. Dann sehen wir Wasser nicht nur in flüssiger Form in Meeren, Seen, als Tau oder als Regen, sondern auch in seinem festen Zustand als Eis, Schnee und Hagel.“ Bei Schnee ändert das Wasser seinen Aggregatzustand von gasförmig zu fest oder bei Eis von flüssig zu fest. So gefrieren Scheiben von außen, weil Flüssigkeit, die auf wärmeren Oberflächen kondensiert, mit abnehmender Temperatur den Zustand wechselt und zu Eis wird. Wie bei den Windschutzscheiben am Auto. „Als Kondensation bezeichnet man den Wechsel des Aggregatzustands von gasförmig zu flüssig“, erklärt der Physiker. Ähnlich verhält es sich bei Schlössern von Autotüren. Sie werden von innen erwärmt, Wasser kondensiert und friert. Scheiben können auch von innen beschlagen. Die Ursache liegt ebenfalls im Temperaturunterschied: Wasserdampf aus dem warmen Inneren kondensiert an kalten Scheiben, weil warme Luft einen höheren Dampfdruck für Wasser aufweist. Sprich: Sie kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen als kalte Luft. Diese Luftfeuchtigkeit kann sich an kalten Flächen niederschlagen und dort können sich Wassertröpfchen bilden. Brillenträger erleben dies im Winter ständig: Sobald sie von der Kälte ins Warme kommen, vernebelt ihnen dieses Phänomen die Sicht.

Gibt es auch schwerwiegende Folgen durch Wasser?

„Neben spiegelglatten Straßen und vereisten Windschutzscheiben gibt es zerstörerische Effekte von Frost und Eis, die nicht sofort sichtbar werden: Risse und Schlaglöcher im Asphalt.“ Diese treten in der Regel erst dann auf, wenn es wieder wärmer wird. Das liegt an einer bestimmten Eigenschaft des Wassers – der sogenannten Anomalie des Wassers.

Worum handelt es sich bei dieser Anomalie?

„Wasser hat bei vier Grad Celsius seine größte Dichte“, erklärt Christian Weiss. Das bedeutet, dass bei dieser Temperatur eine bestimmte Stoffmenge von Wasser das geringste Volumen hat. „Sobald es wärmer oder kälter ist, dehnt sich das Wasser aus. Chemiker sprechen hierbei von einer Dichteanomalie. Da üblicherweise die Dichte von Stoffen bei sinkender Temperatur abnimmt.“ Gefriert flüssiges Wasser also zu Eis, nimmt sein Volumen um zirka zehn Prozent zu. „Darum schwimmen Eisberge.“ Die Winterschäden im Asphalt entstehen demnach wie folgt: Flüssiges Wasser dringt durch die Poren des Straßenbelags ein und gefriert, dehnt sich aus und drückt die Poren auseinander. Dadurch kann die Struktur des Belags porös und damit zerstört werden. Schmilzt nun das Eis im Frühjahr, kann der Belag nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehren und wird unter anderem durch Autoreifen abgetragen. Es entstehen Risse und Löcher.

An welchen Stellen werden diese Eigenschaften noch sichtbar?

Jeder kennt das Phänomen von Flaschen, die zu lange im Gefrierfach des Kühlschrankes liegen. Das Wasser in den Flaschen gefriert und dehnt sich aus. Wenn die Flaschen dem inneren Druck nicht nachgeben können, platzen sie. Ein weiteres Beispiel sind Holztüren: „Holz reagiert als naturgewachsener Rohstoff empfindlich auf Schwankungen der Luftfeuchtigkeit. Da die Luftfeuchtigkeit in kalter und warmer Luft unterschiedlich ist, kommt es an Grenzschichten zu ungleichmäßigen Ausdehnungen und das Holz verzieht sich.“

Gibt es noch andere Stoffe, die ihre Eigenschaften im Winter verändern?

„Ja. Autos zum Beispiel verbrauchen im Winter mehr Benzin.“ Die Schmiermittel im Motor haben bei Kälte andere Fließeigenschaften – sie verhalten sich wie kalter Honig. Dadurch verlängern sich die Kaltlaufzeiten und es dauert länger bis der Motor seine normale Betriebstemperatur erreicht. „Neben anderen kältebedingten Faktoren – Beleuchtung, Heizung und Winterreifen – kann somit der Verbrauch im Winter um mehr als 0,5 Liter auf 100 Kilometern zunehmen.“