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Kategorie: > Wissenschaft > Physik / Chemie
Gefrieren von turbulentem und stehendem Wasser
Gast (Matthias Mende)
(Gast - Daten unbestätigt)

  18.08.2004

Meine Frage ist kurz und knapp: Warum gefriert turbulentes Wasser langsamer als stehendes bzw. weniger turbulentes?



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 3
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  19.08.2004
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Matthias Mende vom 18.08.2004!  Zum Bezugstext

Hallo Matthias,

beim Bergabfließen mag der Energieeintrag gering sein, beim Rühren kommt es dagegen ganz auf den Rührer an. Ich hatte mal einen Fall, in dem ein "Superrührer" das Wasser innerhalb von wenigen Minuten um 40 C erwärmt hat (bei einem Dispergierversuch), so dass der Versuch abgebrochen werden musste (sollte bei konstanter Temperatur laufen).

Normale Rührwerke tragen natürlich verhältnismäßig weniger Energie ein, aber ab einer gewissen Leistung aufwärts überwiegt der Energieeintrag die durch Turbulenz erhöhte Abfuhr.

Gruß Heiner
Gast (Matthias Mende)
(Gast - Daten unbestätigt)

  18.08.2004
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 18.08.2004!  Zum Bezugstext

Hallo Heiner!
Vielen Dank für Deine ausführliche Antwort, Du hast mir sogar schon einmal bei einer anderen Fragestellung weitergeholfen.
Ich habe mir gedacht, daß die Erwärmung durch Reibung bei Turbulenz eigentlich keine Rolle spielen kann. Zur Erhöhung der Wassertemperatur um
1C braucht man ca 4200 Joule/kg. Das ist die gleiche Energie, wie zum Heben des Kilos um über 400 m! Das heißt: fließt
das Wasser 400 m bergab, kann es sich aufgrund von Reibungsverlusten
maximal um 1C erwärmen (in Wirklichkeit ist es noch weniger, da nicht
alle Verluste in Wärme umgewandelt werden). Sehe ich das richtig? Die
Wärmeentstehung durch Turbulenz kann also nicht der Grund für das
Nichtgefrieren sein. Oder unterliegt mir da ein Gedankenfehler.

Beste Grüße
Matthias
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  18.08.2004

Hallo,

bei der Frage, wie schnell Wasser gefriert, geht es zunächst um 2 Aspekte (immer vorausgesetzt, das Wasser ist bereits auf 0C heruntergekühlt):
1. Wieviel Energie wird dem Wasser pro Sekunde entzogen?
2. Wieviel Energie wird dem Wasser pro Sekunde zugeführt?

Dann ist die Gefriergeschwindigkeit:

GefrGeschw = (E-Entzug/s - E-Zufuhr/s) / W-Masse / Schmelzenthalpie

Turbulenz bewirkt Folgendes:
1. Wenn sie bestehen bleiben soll, muss ständig gerührt werden. Durch den Rührer wird ständig Energie zugeführt, dies verlangsamt das Gefrieren.
2. Der Wärmeaustausch mit der (kalten) Umgebung wird erhöht, dies beschleunigt das Gefrieren.

Es gibt also zwei gegensätzliche Effekte. Welcher Effekt überwiegen wird, ist von Fall zu Fall verschieden. Bei schwächeren Rührern wird eher 2. das Geschehen bestimmen, dann gefriert das Wasser sogar schneller (bis der Rührer im Eisbrei stecken bleibt). Wird dagegen sehr stark gerührt, kann Effekt 1. überwiegen, das Wasser kann sich sogar wieder erwärmen und friert dann gar nicht ein.

Die Beobachtung, dass ein Bach langsamer einfriert als die Pfütze daneben, täuscht ein Wenig. Denn beim Bach fließt ja ständig neues Wasser nach. Außerdem kommt es auf die Tiefe an und nicht zuletzt friert ein Bach einfach anders zu (von den Ufern her), während sich auf dem stillen Teich halbwegs gleichmäßig eine Eisfläche bildet. Aber mit 20 cm Eis obenauf ist der Teich freilich noch längst nicht gefroren. Dasselbe gilt auch für 2 Wassereimer, von denen der eine gerührt wird und der andere nicht.

Wenn sich in beiden Eimern Wasser mit mehr als 0C befindet, kommt ein weiterer Effekt hinzu: In beiden Eimern kühlt sich das Wasser an der Eimerwand und an der Oberfläche ab. Sobald der Eimerinhalt auf ca. 4C abgekühlt ist, passiert Folgendes: Im ruhigen Eimer steigt das bereits abgekühlte Wasser nach oben und kann dort sofort anfangen zu gefrieren. Im gerührten Eimer dagegen muss erst das gesamte Wasser (keine Schichtung möglich) auf 0C abgekühlt werden, bevor sich der erste Eiskristall bilden kann.

Gruß Heiner


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