Vielleicht würde ein kaltes, erfrischendes Getränk an einem heißen Tag nicht so ansprechend aussehen, wenn die Eiswürfel wie ein Stein auf den Boden des Glases fallen würden. Aber warum schwimmt Eis auf Wasser? Warum schwimmt überhaupt etwas?
Was bringt etwas zum Schweben?
Ein Objekt, das weniger dicht als Wasser ist, schwimmt. Wir können dieses Phänomen mit Hilfe einer Theorie namens Archimedisches Prinzip erklären.
Bevor Sie fortfahren, sollten wir Sie warnen:Die folgende Erklärung enthält viel Mathematik.
Wenn Sie einen Gegenstand in ein Glas Wasser stellen, spürt er eine Auftriebskraft, die ihn gegen die Schwerkraft nach oben drückt. Damit das Objekt ganz oder teilweise unter Wasser steht, muss ein Teil des Wassers verdrängt worden sein - was Sie am steigenden Wasserspiegel erkennen können.
Das archimedische Prinzip besagt, dass die nach oben gerichtete Auftriebskraft, die gegen das untergetauchte Objekt drückt, gleich dem Gewicht des verdrängten Wassers ist. Das Gewicht eines Objekts ist gleich seiner Masse multipliziert mit g, der Erdbeschleunigung. Die nach oben gerichtete Auftriebskraft – nennen wir sie F für Auftrieb – ist gleich der Wassermasse x g.
Dichte ist Masse geteilt durch Volumen, was wir umstellen können, um zu sagen, dass Masse Dichte multipliziert mit ist Volumen. Wir können also sagen, dass F, unsere Auftriebskraft, daher gleich der Dichte von Wasser x Volumen von Wasser x g ist.
Damit etwas schwimmt, muss die nach oben gerichtete Auftriebskraft mindestens so groß sein wie die Schwerkraft. Was bestimmt also, ob dies geschieht? Es läuft auf die Erkenntnis hinaus, die Archimedes mit einem „Heureka!“-Schrei aus seiner Badewanne springen ließ. und nackt die Straße entlang rennen:Er erkannte, dass das Volumen des verdrängten Wassers gleich dem Volumen des Objekts ist, das unter Wasser ist.
Wenn also das Volumen des Wassers gleich dem Volumen des untergetauchten Objekts ist, dann ist unsere Auftriebskraft F gleich der Dichte des Wassers x Volumen des untergetauchten Objekts x g.
Diese Auftriebskraft muss mindestens so groß sein wie die Schwerkraft. Welche Schwerkraft wirkt auf das Objekt? Nun, das ist das Gewicht des Objekts:die Masse des Objekts x g. Wir können den gleichen Trick wie zuvor anwenden und sagen, dass das Gewicht des Objekts, das wir W nennen, gleich der Dichte des Objekts x dem Volumen des untergetauchten Objekts x g ist.
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Dies ist fast genau derselbe wie der Ausdruck für F, mit einem Unterschied:der Dichte. Die Auftriebskraft gleicht also die Schwerkraft aus, wenn die Dichte des Objekts geringer ist als die Dichte von Wasser.
All diese Physik läuft auf eine einfache Regel hinaus:Ein Objekt schwimmt auf Wasser, wenn es weniger dicht ist.
Was sind Feststoffe dichter als Flüssigkeiten?
Ein Feststoff schwimmt auf einer Flüssigkeit, wenn diese weniger dicht ist, aber es kommt selten vor, dass die feste Form eines Materials weniger dicht ist als die Flüssigkeit.
Ein Stoff kann Aggregatzustände bilden, die sich nur durch die Anordnung der Teilchen unterscheiden. In einem Festkörper packen sich die Moleküle dicht zu einem ordentlichen, sich regelmäßig wiederholenden Muster zusammen, das als Kristallgitter bezeichnet wird.
Wenn Sie beginnen, einen Festkörper zu erhitzen, gewinnen seine Moleküle Energie und schwingen stärker um ihre Position. Schließlich gewinnen sie so viel Energie, dass sie nicht mehr an Ort und Stelle gehalten werden können, und sie lösen sich aus dem Gitter. Dies ist eine Flüssigkeit:Die Moleküle können sich frei bewegen, bleiben aber im Allgemeinen ziemlich nahe beieinander.
Wenn Sie es weiter erhitzen, lösen sich die Moleküle schließlich vollständig voneinander und bilden ein Gas.
Wenn das Material jede Phasenänderung durchläuft, wird es weniger dicht.
Warum ist Eis weniger dicht als Wasser?
Wenn Feststoffe dichter sind als Flüssigkeiten, warum schwimmt dann Eis auf Wasser? Denn Wasser ist ein Sonderfall. Die Moleküle im Wasser werden durch ein Phänomen beeinflusst, das als Wasserstoffbindung bekannt ist.
Ein Wassermolekül ist ein V-förmiges Molekül, das aus einem Sauerstoffatom in der Mitte und einem Wasserstoffatom auf jeder Seite besteht. Das Molekül wird durch kovalente Bindungen zusammengehalten, wenn sich zwei Atome ein Elektronenpaar teilen.
Allerdings zieht das Sauerstoffatom viel stärker an diesen negativ geladenen Elektronen als es die Wasserstoffatome können. Infolgedessen neigen die Elektronen dazu, näher am Sauerstoffatom zu schweben als eines der Wasserstoffatome. Dadurch bleibt das Molekül als Ganzes mit einer leichten negativen Ladung um das Sauerstoffende und einer leichten positiven Ladung um das Wasserstoffende.
Da sich Gegensätze anziehen, interagieren die leichten Ladungen auf verschiedenen Molekülen miteinander. Diese Wechselwirkungen werden Wasserstoffbrückenbindungen genannt (die technisch gesehen überhaupt keine Bindungen sind).
In flüssiger Form bilden sich bei der Bewegung der Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen und brechen immer wieder auf, und die Moleküle können aneinander vorbeigleiten.
Wenn das Wasser jedoch abkühlt, beginnt es, sich in seine Kristallgitterstruktur zu formen. Während die Moleküle zwischen den leichten positiven und negativen Ladungen Wasserstoffbrückenbindungen bilden wollen, stoßen sich die gleichen Ladungen gegenseitig ab und hindern die Moleküle daran, sich zu nahe zu kommen. Das Ergebnis ist eine Struktur, die etwas weniger dicht ist als flüssiges Wasser.
Ist es möglich, Eis daran zu hindern, sich auszudehnen?
Wasser ist bei einer Temperatur von etwa 4°C am dichtesten. Kühlt man es weiter ab, beginnt es sich wieder auszudehnen, und nachdem es vollständig zu Eis erstarrt ist, hat es um etwa 9 Prozent an Volumen zugenommen. Der Druck, den dieses expandierende Eis ausübt, ist nicht unendlich, aber enorm.
Der Kompressionsmodul von Eis beträgt etwa 8,8 x 10 Pascal. Das bedeutet, wenn Sie einen vollen Behälter mit Wasser versiegeln und einfrieren, beträgt der Druck an den Seiten des Behälters ungefähr 790 Megapascal oder 114.000 Pfund pro Quadratzoll. Das sind 7.800 Atmosphären und laut Professor Martin Chaplin von der London South Bank University, dem weltweit führenden Experten für die Eigenschaften dieser bizarren Substanz, gibt es kein Material auf der Erde, das dem erzeugten Druck standhalten könnte. – Robert Matthews
Würde Wasser ohne Ausdehnungsraum immer noch gefrieren?
Wenn Sie Wasser in einen sehr festen, starren Behälter geben und weiter abkühlen, beginnt der Druck zu steigen, da immer mehr Moleküle die Gitterformation annehmen und gegen die verbleibenden Moleküle drücken, die sich noch im freien flüssigen Zustand befinden. Wenn der Behälter nicht zerbricht, steigt der Druck sehr schnell an, bis schließlich bei etwa 200 Megapascal (ungefähr 2000 Atmosphären) die Atome beginnen, sich wieder in eine neue, kompaktere Konfiguration umzuordnen.
Es gibt 13 bekannte Eisformen, die bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken stabil sind. Gewöhnliches Eis wird Eis Ih genannt, während die dichteste der Hochdrucksorten Eis III ist. In einem geschlossenen Behälter erreicht der Expansionsdruck einen Gleichgewichtspunkt und das Wasser gefriert als Mischung aus Eis Ih und Eis III. – Keiron Allen