Aggregatzustände

Oberhalb von 4000 m regnet es im Alpenraum fast nie. Dies führt zu riesigen Gletschern in den Berner Alpen. Bei exakt 0 °C gefriert Wasser zu Eis, wenn diesem Energie entzogen, wird. Andersrum schmilzt Wasser bei 0 °C bei der Zufuhr von Energie, wie bspw. Wärme.

Da in den höchsten Lagen der Alpen nur selten Temperaturen über 0 °C vorzufinden sind, entstehen hier ewige Eismassen, welche sich nur ganz langsam in den Gletschern talwärts bewegen.

Während in manchen Teilen der Welt, Wasser im Überfluss vorhanden ist, mangelt es an anderen Orten. Wasser fließt durch die Schwerkraft schnell talwärts oder versickert in Spalten. Ohne Wasser wäre kein Leben möglich, wie man schön an dem Beispiel von Wüsten sieht.

Dabei hat Wasser bei 4 °C die größte Dichte. Dies führt dazu, dass in allen Gewässern, Wasser bei einer Temperatur von 4 °C nach unten absinkt. Sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser sammelt sich automatisch an der Oberfläche.

Hinweis: Bei intensiver Sonneneinstrahlung kann Eis direkt in den gasförmigen Zustand wechseln. Somit wird der flüssige Aggregatzustand übersprungen. Man spricht vom sublimieren.

Die Wolken lösen sich hinter der Bergkette auf. Es kommen ständig Wolken nach, aber hinter der Bergkette verschwinden sie. Der Grund ist ganz einfach: Wasser verdampft bei einer Temperatur von 100 °C. Dabei löst es sich unsichtbar in der Luft auf. Nun kann aber die Luft in Abhängigkeit von der Temperatur nur eine begrenzte Menge Wasser speichern. Dabei gilt: Je kälter, desto geringer die Wasserspeicherfähigkeit von Luft. Steigt warme Luft nun auf kühlt diese ab, was dazu führt, dass das Wasser kondensiert. Hiervon spricht man, wenn Wasser in kleinsten Tröpfchen wieder flüssig wird.

Erwärmt sich nun diese Luft wieder, z.B. dadurch, dass sie talwärts strömt, kann diese Luft wieder mehr Wasser speichern, so dass die Wassertröpfchen wieder in den gasförmigen Zustand wechseln.

Um die Temperatur oder die Aggregatzustände von Wasser zu ändern benötigen wir Energie in Form von Wärme. Wieviel Energie man für 1 kg, bzw. 1 l benötigt wird in der folgenden Tabelle gezeigt:

Eis -100 °C → Eis 0 °C	E = 170'000 J
Eis 0 °C → Wasser 0 °C	E = 334'000 J
Wasser 0 °C → Wasser 100 °C	E = 420'000 J
Wasser 100 °C → Wasser­dampf 100 °C	E = 2'256'000 J

Das Wasser im Meer erwärmt sich nur langsam. Auf der anderen Seite kühlt es auch langsam ab und so ist Frost direkt am Meer eher selten. Warum dies so ist, liegt an der besonders guten Fähigkeit von Wasser Energie in Form von Wärme zu speichern. Ein Maß hierfür ist die spezifische Wärmekapazität $c$. Mit der Wärme $\Delta Q$, der Masse $m$ und der Temperaturdifferenz $\Delta T$ berechnet man:
$c=\frac{\Delta Q}{m \cdot \Delta T}$

Um ein 1 kg Wasser um ein Kelvin zu erwärmen, benötigt man eine Energie von 4,182 kJ.

Ma­terial	Eis	Fe	H2O	Hg	H2
c in kJ/(kg K)	2,1	0,5	4,2	0,14	14

Um nun die benötigte Brennstoffmenge zu berechnen um bspw. Wasser um 1 Grad zu erwärmen, benötig man desse Heizwert. Er gibt an wieviel Energie in Form von Wärme beim Verbrennen frei wird.

Brenn­stoff	Ben­zin	Die­sel	Holz	Erd­gas
Heiz­wert Hi in MJ/kg	44	38	15	44

Um bspw. 100 l Wasser um 40 °C zu erwärmen benötigt man folgende Holzmenge:
$m_{Holz}\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}\frac{\Delta Q}{H_{Holz}}\hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm}\frac{4,18\cdot 100 \cdot 40}{15000} \hspace{-0.5mm}=\hspace{-0.5mm} 1,11kg$