Auftriebskraftwerk zur autarken Stromversorgung

[Kurt]

Apropos: Wärmeströme und Energieerhaltungssatz

Thema: Warmes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser.



Wieso? Das ist wieder was für unseren Natursachverständigen.

Mit der Kurve wird man aus jedem Erstsemester-Praktikum rausgeschmissen, wenn da nicht zusätzlich eine Unmenge an Erklärungen angegeben werden.
1) Was soll der Knick bei etwa 6 °C wo danach die Abkühlung plötzlich wieder schneller wird?
2) Was soll das lange Plateau bei etwa 3 °C bedeuten. Wenn Wasser gefriert, wird zwar Kristallisationswärme frei und es bildet sich so ein Plateau, aber das muss bei 0 °C liegen - bzw. bei Anwesenheit gelöster Stoffe sogar etwas unter 0 °C.
Na gut - könnte ein beschissen geeichtes Thermometer sein - die Endtemperatur die bei etwa -15°C liegt spricht dafür, dass das "Experiment" in einem normalen Tiefkühlschrank gemacht wurde, der üblicherweise auf -18°C runterkühlt.
Aber zu dem Versuchablauf gäbe es jedenfalls genug Fragen.

Und zum generellen Effekt, dass heißes Wasser manchmal schneller gefriert als kaltes, hat Yukterez eh schon alles gesagt.

Was hier auffällt sind das Verhalten bei 4° da ist die Dichte des Wassers am höchsten (Wasseranomalie).
Diese Kurve wird beim heiss gemachtem Wasser schneller verlassen, das weist auf eine Veränderung des Wassers wegen der Erhitzung hin.
Möglicherweise ist der "Feststoffanteil" durch das Erhitzen verändert was zu einer anderen Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Wassers führt, auch eine Volumenänderung wegen anderer Zusammensetzung wäre denkbar.

Übrig bleibt wohl nur ein anderes Wärmeleitverhalten, hervorgerufen durch die Erhitzung.

Kurt

[fallili]

Nö Kurt - das hat nix mit der Dichteanomalie zu tun.
Das "kalte" Wasser (blaue Kurve) bleibt ca. 14000 Sekunden - das sind fast 4 Stunden - auf diesem Plateau.
Das ist eindeutig die Kristallisationsphase von bestimmt ziemlich viel Wasser, welche bei 0° C liegen muss.
Das ist mal zu 100% sicher ein schlecht geeichtes Thermometer!

[Kurt]

Nö Kurt - das hat nix mit der Dichteanomalie zu tun.
Das "kalte" Wasser (blaue Kurve) bleibt ca. 14000 Sekunden - das sind fast 4 Stunden - auf diesem Plateau.
Das ist eindeutig die Kristallisationsphase von bestimmt ziemlich viel Wasser, welche bei 0° C liegen muss.
Das ist mal zu 100% sicher ein schlecht geeichtes Thermometer!

Das kann schon stimmen, denn die -Vier°- sind ja als -Schlenker sichtbar, es scheint so dass das Thermometer 3° zuviel anzeigt, das würde dann auch zu dem Wechsel von Flüssig zu Kristallin passen.

Kurt

[Yukterez]

Die Frage die ich mir dazu vor allem stelle ist wie man die Temperatur des gefrierenden Wassers innerhalb der Kühltruhe gemessen hat. Leider wird aus dem Plot nicht ersichtlich ob man das oder die Thermometer an einer oder an vielen Stellen platziert hat, und ob man dementsprechend pro Probe einen Punkt gemessen hat (dann wäre die Frage ob im Zentrum oder am Rand) oder das Volumenintegral bzw. den Durchschnitt der Temperatur in der ganzen Probe ermittelt hat.

,

[fallili]

Man kann da eigentlich gar nix aussagen. Die lange Gefrierzeit lässt mich vermuten, dass es nicht ein "Schnapsglas" voll Wasser war - wie groß die Menge aber ist kann ich gar nicht abschätzen.
Dann ist die Frage, ob die Wassermenge auch stetig gerührt wurde (wie man es macht wann man Salz-Konzentrationsbestimmungen über die Gefrierpunktserniedrigung macht) oder ob da ohne ständigem Rühren lokale Effekte aufgetreten sind.
Aber den Mpemba-Effekt gibt's ja wirklich - was genau passiert ist eben für die Wissenschaft anscheinend nicht interessant genug, oder vielleicht ist es auch nicht immer identisch reproduzierbar - dann wird man natürlich auch nichts wirklich publizierbares zu Stande bringen.

[fallili]

Außerdem gibt es einen Übergangsbereich in dem sich der Phasenwechsel von flüssig nach fest stattfindet. Das passiert ja alles nicht exakt bei Null Grad Celsius.

Hier ein anderes Beispiel:

Nicht exakt bei 0°C ( wenn gelöste Salze vorhanden sind liegt es bei tieferer Temperatur) aber während des Kristalliationsprozesses / Phasenwechsels ist es konstant bei einer Temperatur.
Genau wie kochendes Wasser ebenfalls konstant bei 100 °C bleibt, bleibt kristallisierendes Wasser bei 0°C
Aber dazu muss man natürlich die Flüssigkeit homogen halten - also beim Gefrieren unbedingt mechanisch durchmischen (beim Kochen erfolgt die Durchmischung von allein)

Aber Du weißt es ja bestimmt wieder mal besser und die neue Kurve ist nur ein weiterer Beweis für schlechte "Küchenexperimente".

[fallili]

Auch wenn Du es mir kaum glaubst - aber 5 Jahre Laborbetreuung, bei der Gefrierpunktserniedrigung und Molmassenbestimmungen über Gefrierpunktserniedrigung bestimmt wurden, haben mir ziemlich genau gezeigt wie die Temperaturkurven aussehen.
Und es bildet sich ein sehr ausgeprägtes Plateau, an dem man den Gefrierpunkt ohne Probleme auf 0,05 °genau bestimmen kann. Was also heißt, dass diese Temperatur über einen bestimmten Zeitraum exakt kontant bleibt.
Entscheidend ist nur, das man die Flüssigkeit wirklich homogen hält, ohne vernünftiges Rühren wird da nix draus.
Unterkühlung ist dagegen wiederum kein Problem, weil die Temperatur der unterkühlten Flüssigkeit wieder sauber auf das Gefrierplateau steigt und auch dann wieder einige Zeit konstant bleibt wenn man die Kristallisation z.B. mechanisch auslöst.

Daher ist die zweite Grafik einfach nur Mist und eine absolut beschi.... durchgeführte Messung. Also wenn das Wasser ist, dann kühlt das einfach nur runter und unterkühlt - zumindest nach dem gezeigten Kurvenverlauf - ohne Kristallisation.

Die zuerst gezeigte Grafik würde ich - bis auf die Temperaturabweichung (100 %ig wegen schlechter Eichung) für brauchbar halten, ziemlich genau so hat das auch auszusehen - allerdings gibt's da einige Unstimmigkeiten im Kurvenverlauf die definitiv zu diskutieren wären und nur geklärt werden könnten, wenn man den exakten Versuchablauf kennt.

[Ernst]

Was hier auffällt sind das Verhalten bei 4° da ist die Dichte des Wassers am höchsten (Wasseranomalie).

Nö Kurt - das hat nix mit der Dichteanomalie zu tun.

Natürlich hat das etwas mit der Anomalie zu tun, weil es den Abschnitt nahezu gleichbleibender Temperatur bei 4°C erklärt.

Aus den großen Abkühlzeiten ist zu ersehen, daß es sich um eine große Wassermenge handelt.

Bei Erreichen von 4°C kommt die natürliche Konvektion im Behälter zum Stehen. Während der Eisbildung (immer von oben) bleibt die überwiegende übrige Wassertemperatur bei konstant 4°C.
(Die Goldfische freut es.)

http://www.gw-forum.de/attachment.php?attachmentid=781&d=1291731785

wasseranomalie.JPG (29.09 KiB) 4955-mal betrachtet

Gäbe es die Wasseranomalie nicht, gäbe es auch kein Leben in vorhandener Form. Alle Gewässer würden von unten her komplett zufrieren,

Das alles ist wissenschaftlicher (und auch populärwissenschaftlicher) Konsens und kein Grund zur Unruhe.

2) Was soll das lange Plateau bei etwa 3 °C bedeuten. Wenn Wasser gefriert, wird zwar Kristallisationswärme frei und es bildet sich so ein Plateau, aber das muss bei 0 °C liegen - bzw. bei Anwesenheit gelöster Stoffe sogar etwas unter 0 °C.

Unsinn. Das Plateau muß bei 4°C liegen, wie das etwa im Diagramm gezeigt ist.
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[Kurt]

Die zuerst gezeigte Grafik würde ich - bis auf die Temperaturabweichung (100 %ig wegen schlechter Eichung) für brauchbar halten, ziemlich genau so hat das auch auszusehen - allerdings gibt's da einige Unstimmigkeiten im Kurvenverlauf die definitiv zu diskutieren wären und nur geklärt werden könnten, wenn man den exakten Versuchablauf kennt.

Genau, denn es soll ja was verglichen werden, gehen wir mal davon aus dass es 0° sind wo die beiden Kurven lange verweilen dann zeigt sich dass eine davon früher abfällt, jedoch sich diese bei beiden Ausgangstemperaturen zeigt.

Angenommen:
Beide Wässer sind vorher gleichgeschaltet worden, also erst eingefroren und dann aufgetaut und auf die jeweilige Temperator gebracht und dann bewertet, dann wäre zumindest eine einigermassen gleichwertige Ausgangslage vorhanden.

Wenn sich nun dieser Effekt wieder zeigt dann kann man davon ausgehen dass es nicht mehr identische Wässer sind, sondern sie durch das Aufwärmen verändert wurden, also in diesem Moment Äpfel mit Birnen verglichen würden.
Ein möglicher Grund wäre dass sich ein Teil des Wassers verändert wenns wärmer wird.
An der Verkürzung der Nulllinie wäre dann der veränderte Anteil direkt in % ablesbar, denn es hält sich nur ein Teil davon an die "Kristallisierung bei 0°", der andere Teil nicht.
Bei -17700-, irgendwo bei -15°, ist ein flacher Bereich erkennbar, das könnte die Kristallisationsphase für den Rest sein der nicht bei 0° zu Eis wird.

Um da wirklich was aussagen zu können sollten unterschiedliche Zyklen durchfahren werden, und zwar
- ausgehend von Eis
- ausgehend von gekocht
- ausgehend von unten her erwärmt
- ausgehend von oben her abgekühlt

Erst dann kann etwas mehr Klarheit geschaffen und Fehler vermieden werden.

Kurt

[fallili]

@Highway
das ist fast 30 Jahre her und ich hab keine Kurven, arbeite ja schon lange nicht mehr an der Uni.
Müsset man googeln - unter http://www.univie.ac.at/chemwiki/doku.php?id=pcprakt:bspa2:start sieht man wie es theoretisch aussehen sollte.
Auch bei http://www.unimeter.net/interim/AdHoc/KryoskopIMETER.htm wird die Kurve gezeigt (dort wird aufgetaut und wieder eingefroren).

@Ernst
Wasser gefriert bei 0 °C und daher muss jedes Plateau von reinem Wasser auch bei 0 °C, und zwar verdammt genau bei 0 °C ( +- 0,0 irgendwas) liegen !
Solange man nicht weiß, wie der Versuch durchgeführt wurde (Wassermenge, wo wurde das Thermometer platziert, war es wenigstens auf einer isolierenden Unterlage aufgestellt) kann man zu der Kurve wenig sagen.

ich würd höchsten den ersten komischen Knick auf die Anomalie zurückführen.
Das Thermometer könnte in einem Bereich gewesen sein wo das Wasser 4 °C hat - an anderen Stellen gefriert es bereits und wenn die Kristallisation dann Richtung Thermometer voranschreitet wird es beim Thermometer auch 0 °C kalt.
Das wäre meiner Meinung nach auch die einzig logische Erklärung dafür, dass es nach diesem ersten kleinen Knick plötzlich so enorm viel schneller abkühlt.

@Kurt
Da kann man viel spekulieren. Wie Du schon schreibst, wäre es sicher gut wenn man erstens so ein Experiment generell mehrfach macht und zweitens auch zyklisch mit Wiedererwärmen Versuche machen würde.
Das einzige, was bei der Kurve eben wirklich interessant ist, ist das das "kalte" Wasser eben wirklich zwischen 9000 und 16000 Sekunden nicht weiter abkühlt - also noch nicht durchgefroren ist. Da ist ja doch mehr als eine Stunde.