Off Topic: Wasser und Eis

[Serjosha.]

Hallo,

nicht wirklich eine Frage aus dem Bereich Computer & Internet, dennoch kann mich hier vielleicht jemand klüger machen. Folgendes ist passiert:

Gestern abend habe ich eine 1/4 volle Flasche Vittel ins Gefrierfach gelegt, um mich im Laufe des heutigen Vormittags mit einem schön kühlen Getränk zu erfrischen. Heute morgen nun habe ich die Flasche aus dem Gefrierfach herausgenommen uns zu meiner Überraschung festgestellt, dass sich gar kein Eis darin befand, sondern flüssiges, klares Wasser. Dafür war aber die Flasche eingedellt, offenbar weil die darin erkaltete Luft eine geringere Ausdehnung hatte wie die warme vom Vortag. Ich lasse also etwas Luft in die Flasche hinein, stelle sie auf dem Schreibtisch ab und gehe erst mal für kleine Königstiger. 2 Minuten später komme ich zurück und - das Wasser in der Flasche ist zu einem festen Eisklumpen gefroren. Warum ???

Serjosha
(der Physik manchmal rätselhaft findet und trotzdem allen einen erfrischenden, glücklichen Tag wünscht!)

[Matthias Jütte]

Hallo!

(der Physik manchmal rätselhaft findet und trotzdem allen einen erfrischenden, glücklichen Tag wünscht!)

Tu ich auch. Aber das ist glaube ich Chemie (welche ich ebenso rätselhaft finde).

Gruß

Matthias

[schwarze Piste]

Tachchen!

Grundsätzlich ändern sich Aggregatzustände nicht nur in Abhängigkeit von
ihrer Temperatur, sondern auch vom Druck (Bspl. Flüssiggasflaschen).

Weil gerade Vittelflaschen aber in hohem Maße flexibel sind, würde ich
spontan vermuten, dass dein Eisfach ohnehin haarscharf am Gefrierpunkt
entlang arbeitet, denn so groß können die Druckunterschiede nicht gewesen sein (nach meinem Dafürhalten zudem "in die falsche Richtung").

Bleiben also noch "Zusätze" zum Wasser, die mehr Sauerstoff verlangen
zum Übergang in den festen Aggregatzustand. Allerdings sind meine
Chemie-Leistungskurs-Tage auch schon zulange her, als dass mir dazu noch
eine konkrete Lösung einfiele. ;-)

Gruß

Die schwarze Piste

[Serjosha.]

würde ich spontan vermuten, dass dein Eisfach ohnehin haarscharf am Gefrierpunkt entlang arbeitet

Definititiv!

[MrWurf]

Hallo,

auf deinem Schreibtisch ist es ganz klar kälter als im Gefrierfach.
Wird wohl Zeit, dass die Heizperiode wieder anfängt ;-)

Gruß,
MrWurf

[eisbaer04]

Hi,

das hat was mit dem Druck zu tun. Je höher der Druck, desto tiefer der Gefrierpunkt.
Stell die frage doch einfach mal bei http://www.fragenohneantwort.de. Da kann dir sicher jemande eine kompetente Antwort geben.

Thats all Folks
 eb4

[TomIRL]

Hi,

das hat was mit dem Druck zu tun. Je höher der Druck, desto tiefer der Gefrierpunkt.
Stell die frage doch einfach mal bei http://www.fragenohneantwort.de. Da kann dir sicher jemande eine kompetente Antwort geben.

Hmmm Vitel und Druck?
Das Zeug hat doch keine Kohlensäure.. oder?
Weil bei Druck kann ich dass schon erklären.
Aber normales Wasser in ner Plastikflasche?

ToMIRL

[Siechfred]

Hallo TomIRL.

Hmmm Vitel und Druck?
Das Zeug hat doch keine Kohlensäure.. oder?

Aber es ist Wasser, das sich bei Abkühlung ausdehnt. Deshalb sollte sich der Innendruck erhöhen, da die in der Flasche enthaltene Luft die Ausdehnung des Wassers nicht kompensieren dürfte. IMHO jedenfalls ;)

Freundschaft!
Siechfred

[schwarze Piste]

Tachchen!

Aber es ist Wasser, das sich bei Abkühlung ausdehnt. Deshalb sollte sich der Innendruck erhöhen, da die in der Flasche enthaltene Luft die Ausdehnung des Wassers nicht kompensieren dürfte. IMHO jedenfalls ;)

Das würde die - definitiv richtige - Drucktheorie zwar stützen,
deckt sich aber nicht mit den Tatsachen:

Die Flasche war ja nach _innen_ eingedellt, Serjosha machte führte das
die abgekühlte Luft zurück. Es gab also gar einen Unterdruck.
Die Drucktheorie müssen wir aus meiner Sicht also zu den Akten legen.

Gruß

Die schwarze Piste

[Serjosha.]

Hallo,

danke für die Antworten. Vielleicht hat die sich zusammenziehende Luft doch das sich ausdehnende Wasser kompensiert, schließlich war ja nur noch wenig Wasser in der Flasche, und sie war definitiv eingedellt.

Grüßle,
Serjosha

[Martin Jung]

Hi,

Spekulation:
Nach der Entnahme der Flasche aus dem Eisfach gibt es keine "Kraft" mehr (nämlich die Kühlung), die dem "Drang" der Flaschenluft nach Entropievergößerung (Erwärmung) entgegenwirkt. Da die Flasche (nach der Teil-Belüftung) wieder verschlossen war, hat die Flaschenluft die Erwärmungsenergie dem Wasser entzogen.
Die Frage lautet: Warum nicht der Umgebung der Flasche? Ich denke, dass der Wärmetransport an der Grenze Wasser-Flaschenluft effizienter ist als der mittels Außenluft-Plastikflaschenwand-Flaschenluft.
Voraussetzung für diese Erklärung: Die Flasche war wieder verschlossen (ohne kurzzeitige Belüftung wäre der beobachtete Effekt dann noch schneller eingetreten).

Ich denke weiterhin: Du hast Recht - wäre in der Flasche hinreichend mehr Wasser enthalten gewesen, hätte man den Effekt so nicht mehr gesehen (eine Temperaturabnahme des Wassers hätte man aber durchaus messen können).

Viele Grüße,
Martin Jung

[eisbaer04]

Hi,

naja, ich meinte auch eher, dass sich die Flasche ja eingedellt hatte, wodurch Möglicherweise der Druck erhöht wurde (oder zumindest konstant blieb). Beim Öffnen der Flasche nahm der Druck ab, und ich glaube mich erinner zu können, dass es da auch einen Physikalischen Effekt gab, der dazu führt, dass Wasser auch bei mehr als 0°C gefriert - aber der Physikunterricht ist leider schon zu lange her

eb4

[Kausalust]

Druschba Serjosha,

kausalustige Kette:

hoher Luftdruck
  -> höherer Siedepunkt (ca.120° im Schnellkochtopf)

niedriger Luftdruck
  -> tieferer Siedepunkt (ca 80° im Hochgebirge)

-> also auch tieferer Gefrierpunkt:

- den recht tiefen Luftdruck in der Flasche erhälst Du
  durch immerhin 3/4 Luftvolumen innerhalb der Flasche
  unter normalen Druckverhältnissen,
  - im Gefrierfach zieht sich diese Luft dann zusammen,
  - die Flasche wird durch den normalen Außendruck
  deformiert, da kein entsprechender Gegendruck mehr da ist,
  - durch den geringen Innendruck, ist auch der Gefrierpunkt
  des Wassers herabgesetzt,
  - es kristallisiert nicht, obwohl seine Temperatur deutlich
  unter dem Nullpunkt liegt,

- beim Öffnen der Flasche, wird das Wasser unter plötzlich
  einsetzendem Normaldruck dann kalt erwischt - es friert durch.

na sdarowje - Kausalust

[Serjosha.]

Hallo!

hört sich recht plausibel an. Wieder was dazugelernt. (Oder heißt es nun "dazu gelernt"? Egal.) Jedenfalls Danke!

Übrigens ist an mir nur der Name russisch. Aber na sdarowje versteh ich natürlich trotzdem ;-)

Serjosha

[Harry]

Holladiewaldfee,

niedriger Luftdruck
  -> tieferer Siedepunkt (ca 80° im Hochgebirge)

Da mußt Du schon verdammt weit rauf, für 80°C ;-)
Den Siedepunkt von Wasser kann man über die Clausius-Clapeyron-Gleichung bestimmen, die den Zusammen zwischen Temperatur und Dampfdruck angibt:

log(p) = - (∆H_v / (2,303 * R * T)) + C

R = 8,3145 J/(mol K) (Gaskonstante)
∆H_v = +43,8 kJ/mol (molare Verdampfungsenthalpie)

Daraus kannst Du für "normalen" Luftdruck (101,3kPa) und dem normalen Siedepunnkt (100°C) die Konstante C bestimmen. Anschließend setzt Du C und für p den gewünschten Luftdruck ein und löst nach T auf -> schon hast Du die "neue" Siedetemperatur. Was aber nicht ganz richtig ist, da soweit ich weiß ∆H_v ebenfalls temperaturabhängig ist, wenn auch nur in relativ geringem Maße.

Für den Gefrierpunkt ist es aber glaube ich nicht so einfach.

<modus spekulativ="on">
Der Schmelzpunkt ist dort, wo die Dampfdruckkurve von Eis auf die von Wasser trifft. Bei Eis muß man zusätzlich zur molaren Verdampfungsenthalpie von Wasser noch die molare Schmelzenthalpie (6,02 kJ/mol) addieren.
</modus>

-> also auch tieferer Gefrierpunkt:

Nein.
Das nennt sich "Anomalie des Wassers".
Entgegen aller Vermutungen sinkt der Gefrierpunkt des Wassers mit steigendem Druck (ab dem Tripelpunkt bei 0,61kPa / 0,01°C)
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Phasendiagramm_des_Wassers.png

- im Gefrierfach zieht sich diese Luft dann zusammen,

p*V/T = const.

- die Flasche wird durch den normalen Außendruck
  deformiert, da kein entsprechender Gegendruck mehr da ist,
  - durch den geringen Innendruck, ist auch der Gefrierpunkt
  des Wassers herabgesetzt,

Ha!
Da wird die Sache etwas schwierig ... die Deformation der Flasche führt ja im Endeffekt genau dazu, daß der Druck innen und außen wieder halbwegs gleich werden!

- es kristallisiert nicht, obwohl seine Temperatur deutlich
  unter dem Nullpunkt liegt,

falsch.
Du bäuchtest enorm hohe Drücke, um das zu realisieren. Bei dem von Dir propagierten Unterdruck müsste das Wasser sogar schon vorher gefrieren.

- beim Öffnen der Flasche, wird das Wasser unter plötzlich
  einsetzendem Normaldruck dann kalt erwischt - es friert durch.

Nein, eine plötzliche Druckerhöhung bei konstanter Temperatur würde ja dazu führen, daß Eis schmelzen würde.

Ich würde es eher so sehen:
Durch das Öffnen der Flasche gibt man dieser die Möglichkeit, wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Dadurch wird jede Menge warme Luft in die Flasche gesaugt. Den Luftdruck wollen wir dabei mal als konstant ansehen. Nach der Vermischung ist die Temperatur in der Falsche also gestiegen, was aber nicht für das Wasser zutrifft.

Durch die höhere Temperatur an der Oberfläche muß der Dampfdruck des Wassers schlagartig ansteigen. Dies ist (&#8710;H_v>0) eine endotherme Reaktion:

H2O (l) <-> H20 (g), &#8710;H_v=43,8kJ/mol

Diese Energie muß irgendwo aufgebracht werden, d.h. dem Gesamtsystem Wasser / Luft wird Energie entzogen. Dabei hat es den Anschein, als wäre dies in Deinem Fall genügend Energie gewesen, um die molare Schmelzenthalpie (bzw. in diesem Fall die molare Kristallisationsenthalpie) aufzubringen (&#8710;H_g=6,02 kJ/mol), die ja deutlich kleiner ist als die molare Verdampfungsenthalpie.

H2O (s) <-> H20 (l), &#8710;H_g=6,02kJ/mol

Damit wäre das Wasser dann zu Eis geworden, und das aus dem seltsam anmutenden Grund, weil es um das Wasser herum aufeinmal wärmer wurde ;-)

Ciao,

Harry

[Harry]

Ach je ...
Die Tücken des Unicodes ...

&#8710; ist ein großes Delta.

Harry

[Johannes Zeller]

Hallo Harry,

Die Tücken des Unicodes ...

&#8710;

Kann es sein, dass du einen Gecko-Browser verwendest? ;-) (http://wwwtech.de/cforum/blogg/archives/2004/08/13/fehler-im-unicode-handling-behoben/)

Schöne Grüße,

Johannes

[Andy]

Hallo!

Ich hab' mal in einem alten Knoff-Hoff-Buch nachgeschlagen und zwar: "Das knoff-hoff Buch 2" von Joachim Bublath  uaus dem G+G Urban-Verlag München (wenn es einen interessiert!)
Da sind alle möglichen Experimente drin, die sie mal in der Sendung gemacht haben! (Snüff, das waren Zeiten! :-) )

Also es geht um Experiment 14 "Sprudelwasser als Eisbombe":

Das Kunststück:
Im Gefrierfach des Kühlschranks werden Sprudelwasserflaschen einige Stunden gekühlt. Dabei ist darauf zu achten, dass das Wasser nicht zu Eis wird. So was ist möglich, weil man Flüssigkeiten unterkühlen kann, d. h. auf -7 °C z. B., ohne dass sie sofort in den festen Eiszustand übergehen. Wenn Sie diese unterkühlten Wasserflaschen vorsichtig herausnehmen und dann den Kronenverschluss öffnen, erstarren sie plötzlich zu Eis. Interessant ist, daß sie sich beim Übergang vom flüssigen Zustand in den festen Zustand von -7 °C auf 0 °C erwärmen.
Das knoff-hoff:
Verständlich wird diese Erwärmung durch dieses Experiment. In einem Reagenzglas erhitzen Sie ein Salz-Natriumthiosulfat - bis es schmilzt. Dann lassen Sie die Salzschmelze vorsichtig abkühlen und zwar unter den Erstarrungspunkt. Das ist bis zu 20 °C möglich, obwohl die Erstarrungstemperatur dieses Salzes bei etwa 50 °C liegt. Werfen Sie jetzt ein kleines Körnchen von dem Salz in die unterkühlte Schmelze, so beginnt Sie schlagartig auszukristallisieren. Die Temperatur steigt von 20 °C auf 50 °C. Das ist plausibel, denn um das Salz zu schmelzen haben wir Energie hineingesteckt - das Salz mit der Flamme erhitzt. Die Wärmebewegung im Salz verstärkt sich dabei so, daß die Salzteilchen aus dem starren Kristallverband gerissen werden und in den flüssigen Zustand übergehen. Die Energie der Flamme steckt jetzt in der heftigen Bewegung der Moleküle. Beim Abkühlen blieb der flüssige Zustand erhalten. Die Teilchen sind ungeordnet, ziehen sich gegenseitig an, kommen aber - wie durch eine gespannte Feder getrennt - nicht näher zusammen. Diese unterkühlte Schmelze ist energiereicher als das feste Salz. Erst beim Übergang in den geordneten kristallinen Zustand wird diese gespeicherte Energie frei - das Salz erwärmt sich. [...] Ähnliches passiert bei unserer unterkühlten Sprudelflasche. Das Öffnen ist der Auslöser für die Kristallation, bei der ja Energie frei wird. Das unterkühlte Wasser in der Flasche erwärmt sich auf 0 °C.
[...]

Ich hoffe das hilft ein bisschen! ;-) Hab's mal auf die schnelle abgetippt. Und wie üblich haben wir damit voll gegen das Copyright verstossen, von wegen nicht mal Auszüge abzudrucken! Naja...

Ciao,
Andy

[Matzberger Marcus]

Hallo,
Dabei ist darauf zu achten, dass das Wasser nicht zu Eis wird. So was ist möglich, weil man Flüssigkeiten unterkühlen kann, d. h. auf -7 °C z. B., ohne dass sie sofort in den festen Eiszustand übergehen.

Destilliertes Wasser kann man ohne weiteres auf -10°C kühlen ohne dass es gefriert, auch bei normalen Luftdruck. Man muss nur darauf achten, dass das Gefäß ruhig steht. Danach genügt eine leichte Erschütterung um das Wasser schlagartig gefrieren zu lassen.
Das gleiche funktioniert mit normalem Wasser, lediglich die niedrigst mögliche Temperatur ist ewas höher.

Grüße
Marcus

[Martin Jung]

Hi,

Hallo!
[...] Ähnliches passiert bei unserer unterkühlten Sprudelflasche. Das Öffnen ist der Auslöser für die Kristallation, bei der ja Energie frei wird. Das unterkühlte Wasser in der Flasche erwärmt sich auf 0 °C.

Das ist doch die Frage: _Warum_ triggert das Öffnen die Kristallisation?

Viele Grüße,
Martin Jung