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Bei welcher Temperatur gefriert Wasser? | Wissenschaft

Der Titel dieses Beitrags scheint eine angemessene Frage für eine naturwissenschaftliche Grundschulprüfung zu sein, aber die Antwort ist viel komplizierter, als es auf den ersten Blick erscheint. Uns allen wurde beigebracht, dass Wasser bei 32 Grad Fahrenheit, 0 Grad Celsius, 273,15 Kelvin gefriert. Das ist jedoch nicht immer der Fall. Wissenschaftler haben flüssiges Wasser gefunden, das in Wolken bis zu -40 Grad F kalt ist und im Labor sogar auf -42 Grad F abgekühlt ist. Wie tief könnten sie gehen?

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Das stellt sich als schwierig zu beantwortendes Problem heraus. Wenn flüssiges Wasser unter -42 Grad F abgekühlt wird, kristallisiert es zu schnell zu Eis, als dass Wissenschaftler die Temperatur der Flüssigkeit messen könnten. Emily Moore und Valeria Molinero von der University of Utah entwickelten daher eine ausgeklügelte Computersimulation von 32.768 Wassermolekülen (weniger Moleküle als in einem Regentropfen zu finden sind), die ihnen zeigen, was mit der Wärmekapazität, Dichte und Kompressibilität des Wassers passiert, wenn es unterkühlt und Bestimmen Sie, was passiert ist, als 4000 dieser Moleküle eingefroren sind. Ihre Ergebnisse erscheinen im Journal Natur .

Wenn sich die Temperatur des Wassers -55 Grad F erreicht, bilden die Wassermoleküle Tetraeder, wobei jedes Molekül lose an vier andere Moleküle bindet. Die Dichte des Wassers nimmt ab, seine Wärmekapazität steigt und seine Kompressibilität nimmt zu. Die Veränderung der Wasserstruktur steuert die Geschwindigkeit der Eisbildung, Molinero sagt . Wir zeigen, dass sowohl die Thermodynamik von Wasser als auch die Kristallisationsgeschwindigkeit durch die Strukturänderung von flüssigem Wasser gesteuert werden, die sich der Struktur von Eis annähert. Unter -55 Grad F können noch winzige Stücke flüssigen Wassers existieren, aber dies würde dies nur für eine unglaublich kurze Zeit tun, sagt Molinero.





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Diese Unterkühlung von Wasser ist möglich, weil Wasser einen kleinen Kern oder Eiskeim benötigt, damit die Moleküle Kristalle bilden können, und in sehr reinem Wasser kann man nur einen Kern bilden, indem man die Struktur der Flüssigkeit spontan ändert, sagt Molinero. Diese Kerne werden sich nicht bilden oder groß genug werden, bis sich die Struktur der flüssigen Wassermoleküle der von festem Eis annähert, was nicht geschieht, bis das Wasser so unglaublich kalt wird.

( HT: io9 )







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