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Kategorie: > Wissenschaft > Physik / Chemie
kaltes Wasser unter Druck
Gast (Sascha F.)
(Gast - Daten unbestätigt)

  11.10.2004

Hallo,
ich habe da eine etwas knifflige Frage.
Wenn ich reines (blasenfreies) Wasser in einem geschlossenen Behelter habe und das Wasser sich nicht ausdehen kann, wie groß ist dann der Innendruck bei einem Temperaturgefälle von 4C hinunter auf 0C(Eis)?
Warum ich das frage hat folgenden Hintergrund:
Eiskristalle können sich ja nicht bilden, da kein Platz vorhanden ist, dennoch verändert sich die Dichte des Wassers mit der Temperatur.

Gruß
Sascha
HP:http://www.iu-bremen.com



Anzahl der unterhalb stehenden Antworten: 5
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  08.11.2004
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von sascha vom 13.10.2004!  Zum Bezugstext

Hallo Sascha,

"... allerdings benötigen die Eiskristalle Platz und wenn dieser nicht vorhanden ist, wachsen auch keine Eiskristalle."

Bei genau 0C stimmt das auch, wird jedoch weiter abgekühlt, muss der Behälter einen mit abnehmender Temperatur stark steigenden Druck aushalten.

Das mit dem Bier liegt übrigens nicht daran, dass sich das Bier in der geschlossenen Flasche nicht hätte ausdehnen können (hätte es leicht, oben ist ja immer etwas Luft drin), sondern weil es wegen des Fehlens von Kristallisationskeimen unter seinen Gefrierpunkt abgekühlt werden kann ohne zu gefrieren. Beim Öffnen der Flasche entweicht das unter Druck stehende CO2 in dem kleinen Luftraum, so dass das gelöste CO2 im Bier auszuperlen beginnt. Diese Perlen können als Kristallisationskeime dienen und das Gefrieren auslösen.

Das Bier dürfte auch nur innen an der kalten Flaschenwand gefroren sein, für ein vollständiges Durchgefrieren müsste das Bier zuvor auf eine Temperatur weit unter 0C gekühlt worden sein (weil dem Wasser zum Gefrieren ein erheblicher Energiebetrag entzogen werden muss, in diesem Fall im Voraus), was in einer Kühlbox kaum zu erwarten ist.

Grüße Heiner

Gast (sascha )
(Gast - Daten unbestätigt)

  13.10.2004
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 12.10.2004!  Zum Bezugstext

Hallo,
vielen Dank für die Bemühungen,
ich hätte anfangs auch mehr Druck erwartet, musste das aber noch weiter in die physikalische Chemie eintauchen.
Der Druck steigt nicht zu weit, aufgrund der doch relativ einheitlichen Dichte des Mediums. Dennoch hat Wasser seinen kritischen Punkt für diese Berechnung bei 0C. Hier macht das Medium einen Sprung von 0C flüssig in 0C Eis. An dieser Stelle verändert sich natürlich der Volumenbedarf explosionsartig allerdings benötigen die Eiskristalle Platz und wenn dieser nicht vorhanden ist, wachsen auch keine Eiskristalle.
Als Beispiel hatte ich einen sehr beeindruckenden Versuch aus der Praxis.
Vor zwei Wochen hatten wir eine kleine Feier und es wurde auch Bier aus Flaschen getrunken. Diese standen vorher allerdings im Kühlkontainer. Die Flüssigkeit war so weit heruntergekühlt, das beim Öffnen des Bieres, die Flasche bin nach unten durchgefrohren ist. Man konnte dabei zusehen und es dauerte auch nur wenige Sekunden.

lieben Gruß
Sascha

HomePage:http://www.deepseacam.de
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  12.10.2004

Hallo,

wie man sich doch verschätzen kann! Ich habe mal die Abkühlung von Wasser von 4 auf 0C bei konstantem Volumen berechnet: Der Druck nimmt zu auf lediglich 3,64 bar.

Gruß Heiner
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  11.10.2004
Dieser Text bezieht sich auf den Beitrag von Heiner Grimm vom 11.10.2004!  Zum Bezugstext

Ganz vergessen: Keine Daten ohne Quellenangabe!

Die Zahlen sind aus:

D'Ans-Lax: Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Band1, 3. Aufl., Springer 1967
Gast (Heiner Grimm)
(Gast - Daten unbestätigt)

  11.10.2004

Hallo Sascha,

hier nur mal das Ganze ohne Zahlen aufgedröselt. Zum Daten raussuchen und Rechnen bräuchte ich etwas länger.

Gehen wir davon aus, der Behälter ist ein formstabiler Druckbehälter, am besten eine dickwandige Kugel.

Beim Abkühlen der Kugel mit dem flüssigen Wasser von 4 auf 0C möchte sich der Behälter zusammenziehen, das Wasser dagegen ausdehnen. Beides zusammen geht natürlich nicht. Der Druck im Behälter steigt, dadurch dehnt sich das Wasser weniger aus, wird evtl. sogar etwas zusammengepresst und der Behälter wird, je nach Material (Elastizitätsmodul) und Wandstärke mehr oder weniger gedehnt. Wird er überdehnt, zerbricht er.

Angenommen er zerbricht nicht:

Da mit zunehmendem Druck der Schmelzpunkt des Wassers immer niedriger wird, kann das Wasser bei 0C noch gar nicht gefrieren. Bei weiterem Abkühlen wird der Druck aber irgendwann derartig groß, dass selbst sehr dickwandige Stahlkugeln nachgeben (Das Material wird ja auch immer spröder) und mit einiger Gewalt bersten.

Eine Berechnung des Ganzen ist einfacher, wenn man annimmt, dass sich das Volumen des Behälters nicht wesentlich ändert und dieses kurzerhand als konstant betrachtet. Dann ist die Berechnung schon für das flüssige Wasser immer noch nicht ganz simpel, weil der Kompressionskoeffizient selbst druck- und temperaturabhängig ist.

Hier ein paar durchschn. Kompressib.-Werte (in 10^-6 1/bar), um wenigstens bis dahin rechnen zu können:

             0C    20C
1..50 bar     50,2   46,0
50..100 bar   49,3   44,5
100..200 bar  47,4   42,9
200..300      46,6   42,0
300..400      45,2   41,0
400..500      44,1   40,1
500..1000     40,6   37,1
1000..2000    33,3   31,6

Hoffentlich reicht der Druckbereich für Deine Berechnung aus. Viel Spaß dabei!

Kompressibilitätswerte für Eis müsste ich erstmal suchen. Eisdaten sind leider nicht so leicht zu finden wie Wasserdaten.

Gruß Heiner


http://www.wissenschaft-technik-ethik.de

 



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