Physics
Dichteanomalie des Wassers
Eis schwimmt, weil sein Gitter offen ist. Erwärmt man Wasser, bricht das Netzwerk: die Dichte steigt bis 4 °C und fällt dann wieder.
Was passiert
Die offene Struktur ist hier kein Modell, sondern die Kristallographie von Eis Ih; die aus den Gitterkonstanten folgende Dichte beträgt 920 kg/m³ gegen gemessene 917. Die Flüssigkeit folgt Röntgens Zweistrukturbild: die Moleküle sitzen entweder in diesem offenen Netzwerk oder in einer kollabierten, dichteren Anordnung, mit einem Boltzmann-Gleichgewicht dazwischen. Erwärmen bricht Bindungen und macht das Gemisch dichter; Erwärmen dehnt aber auch beide Strukturen. Wo sich beides kreuzt, liegt 4 °C - und das ergibt sich, statt hineingesteckt zu werden.
Gleichungen des Moduls
Gleichungen ρ(T) erreicht seinen Höhepunkt bei 3.98 °C Eis: offenes Gitter, ρ = 0.917 g/cm³ → schwimmt Erwärmung bricht das Netzwerk der Wasserstoffbrücken: ρ steigt, dann gewinnt die thermische Ausdehnung Meerwasser (UNESCO 1983): ρ(T, S) bei 1 atm; T_max = 3.98 °C bei S = 0, 1.86 bei S = 10, −0.30 bei S = 20; oberhalb von S = 24.5 gibt es kein Dichtemaximum mehr, da es den Gefrierpunkt −0.0575 S + … erreicht Der See: 40 Schichten, thermische Diffusion 1.4e-7 m²/s, Oberflächenaustausch 25 W/m²K, konvektive Mischung (kein leichteres Wasser unter schwererem), Stefan-Eis dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) unabhängige numerische Überprüfung: 15 °C See, Luft −10 °C: die gesamte Wassersäule kühlt gleichmäßig auf 4.9 °C bis Tag 10; Tag 30: Eis 47 cm, 0 °C darunter, 4.0 °C von 2 m bis zum Boden; Meerwasser bei 35: −1.92 °C von oben nach unten, keine Bodenschicht bei der Temperatur der maximalen Dichte der Würfel: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % unter Süßwasser bei 4 °C, 89.2 % unter Meerwasser; ein Liter Süßwasser gefriert zu 1.091 Litern
