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Anomalie des Wassers – Definition
Wasser ist eine ganz besondere Flüssigkeit, ohne die kein einziges Lebewesen auf dieser Erde existieren könnte. Du benötigst es zum Spülen, Kochen und zum Trinken.
Somit bestimmt Wasser unseren Alltag und unterscheidet sich dabei auch von allen anderen Flüssigkeiten. Eine Besonderheit liegt in der Anomalie des Wassers, die etwa dafür sorgt, dass Fische im Winter auch ohne Wärme im Wasser überleben.
Die Anomalie des Wassers gibt an, dass Wasser nur bis zu einer Temperatur von 4 °C sein Volumen verringert. Wenn Wasser ab 4 °C weiter erwärmt oder abkühlt, wird das Volumen wieder größer und seine Dichte sinkt. Dieser Zustand wird auch Dichteanomalie genannt.
Ohne die Anomalie des Wassers wäre Leben in den Ozeanen für die meisten Lebewesen gar nicht erst möglich.
Was unterscheidet Wasser von anderen Flüssigkeiten
Bei jeder Flüssigkeit ändert sich die Dichte, wenn die Temperatur erhöht oder abgesenkt wird. Bei einer Temperaturerhöhung nimmt die Dichte zwangsläufig ab, während sie bei einer Abkühlung zunimmt. Generell gilt für alle Flüssigkeiten: Kühlt etwas ab, verringert sich das Volumen und die Dichte wird größer. Nur das Wasser bildet hierbei eine Ausnahme.
Träfe diese Regel nämlich darauf zu, würde kaltes Wasser aufgrund der niedrigen Temperaturen ständig nach unten absinken. Im Meer könnten dadurch beispielsweise viele Fische, aber auch Korallen und Lebewesen auf dem Meeresboden, gar nicht erst existieren. Dass das jedoch nicht der Fall ist, liegt an der Sonderrolle, die das Wasser einnimmt:
Wenn Wasser abgekühlt wird, steigt seine Dichte nur bis zu einer Temperatur von 4 °C. Sobald diese Temperatur erreicht ist, bewirkt eine weitere Abkühlung nicht mehr, dass die Dichte steigt. Im Gegenteil, die Dichte nimmt wieder ab. Dadurch hat Wasser also seine höchste Dichte, mit 
und damit verbunden auch sein kleinstes Volumen bei 4 °C. Dadurch kann es auf dem Meeresboden niemals kälter als 4 °C werden.
Abb. 1: Wassertemperatur in Abhängigkeit von der Tiefe und Jahreszeit
Wasser ist die einzige Flüssigkeit, welche diese einzigartige Eigenschaft besitzt.
Anomalie des Wassers – Erklärung
Warum besitzt Wasser eine Dichteanomalie? Wasser besteht aus sogenannten Clustern, welche durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden.
Bei einer Temperaturzunahme nimmt die Wärmebewegung zu, weshalb sich diese Wasserstoffbrückenbindungen wieder lösen. Wenn Wasser abkühlt, nimmt die Wärmebewegung ab und es lagern sich immer mehr Teilchen an den Clustern an. Demnach werden die Cluster immer größer. Währenddessen verringern sich die Abstände zwischen den einzelnen Teilchen, weshalb es zu einer Zusammenziehung kommt.
Diese beiden Effekte sind bei einer Temperatur von 4 °C noch im Gleichgewicht. Wird die Temperatur von 4 °C hingegen unterschritten, ist die thermische Zusammenziehung im Vergleich zur Vergrößerung der Cluster nur noch gering. Ab diesem Zeitpunkt steigt wieder das Volumen und die Dichte nimmt ab.
Anomalie des Wassers im Alltag
Die folgenden Beispiele zeigen, wo du die Dichteanomalie des Wassers in der Natur und im Alltag wiederfindest.
Eisberg
Hast du dich jemals gefragt, wie riesige Eisberge auf der Wasseroberfläche schwimmen können, ohne unterzugehen? Das liegt ebenfalls an der Dichteanomalie des Wassers.
Während Wasser in flüssiger Form eine weitaus höhere Dichte besitzt, sieht das im festen Zustand ganz anders aus. Beim Wechsel des Aggregatzustandes von der flüssigen zur festen Form (also von Wasser zu Eis), nimmt die Dichte schlagartig ab und das Volumen zu. Dadurch wird das Eis mit einer niedrigeren Dichte nach oben getrieben und verbleibt dort auch. Somit ist der Dichteunterschied zwischen dem flüssigem und festen Aggregatzustand von Wasser der Auslöser für dieses Naturphänomen.
Eisberge bestehen aus Süßwasser, also aus Schnee, während das Meerwasser sich aus Salzwasser zusammensetzt. Der Dichteunterschied ist hier also etwas größer.
Sprengkraft von Wasser
Wasser besitzt eine enorme Sprengkraft, welche dementsprechend auch einen erheblichen Schaden anrichten kann. Dies ist der Anomalie des Wassers geschuldet: Wenn Wasser in Rohrleitungen abkühlt, wird sein Volumen zunächst kleiner. Bis zu einer Temperatur von 0 °C ist das unproblematisch, da das Wasser bis hierhin noch flüssig ist.
Sobald eine Temperatur von 0 °C unterschritten wird, gefriert das flüssige Wasser zu Eis. Das führt zu einer schlagartigen Änderung der Dichte und des Volumens. Während die Dichte kleiner wird, wird das Volumen schlagartig größer und führt dann zu einer Sprengwirkung. Diese Eigenschaft ist sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil. Während die Sprengwirkung des Wassers zur Lockerung von Ackerböden vorteilhaft ist, muss bei Wasserrohren dieser Umstand beachtet werden, damit die Rohre keinen Schaden nehmen.
Hast du schon einmal eine volle Glasflasche ins Gefrierfach gestellt, um dann leider merken zu müssen, dass sie geplatzt ist? Das hängt mit der Sprengkraft des Wassers zusammen. Deshalb solltest du am besten niemals eine volle Glasflasche ins Gefrierfach stellen.
Anomalie des Wassers - Das Wichtigste
- Dichteanomalie des Wassers beschreibt, dass Wasser bei 4 °C seine größte Dichte besitzt und Temperaturen über oder unter 4 °C zu einer Dichteabnahme führen.
- Wachstum von Clustern und thermische Zusammenziehung sind Ursachen der Dichteanomalie.
- Der Übergang von der flüssigen Phase in die eisförmige Phase bewirkt eine sprunghafte Vergrößerung des Volumens.
- Eis schwimmt aufgrund seiner geringeren Dichte auf dem Wasser. Eisberge sind hierfür ein Beispiel.
- Die Sprengwirkung des Wassers ist in Rohren gefährlich, in der Landwirtschaft jedoch von Vorteil.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Anomalie des Wassers
Wie viele Anomalien des Wassers gibt es?
Es gibt eine Anomalie des Wassers, diese beschreibt die Dichteanomalie. Die Dichteanomalie gibt an, dass Wasser bei 4 °C seine höchste Dichte besitzt und beim Überschreiten oder Unterschreiten dieser Temperatur die Dichte wieder abnimmt und das Volumen größer wird.
Warum hat Wasser eine Anomalie?
Wasser besitzt Cluster, an die sich die Teilchen anheften. Die einzelnen Cluster sind hierbei mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. Wenn Wasser abgekühlt wird, kommt es zu einer thermischen Zusammenziehung, also die Abstände zwischen den Teilchen und Clustern nehmen ab. Im selben Schritt jedoch heften sich mehr Teilchen an die Cluster, weshalb diese größer werden. Ab einer Temperatur von 4 °C stehen diese beiden Effekte nicht mehr im Gleichgewicht und die Vergrößerung der Cluster dominiert.
Warum hat Wasser bei 4 °C die höchste Dichte?
Wasser hat bei 4 °C die höchste Dichte, da bis zu diesem Punkt die thermische Zusammenziehung noch gegen die Vergrößerung der Cluster dominiert. Also die Abstände zwischen den einzelnen Teilchen sind bei 4 °C am geringsten.
Was versteht an unter Anomalie?
Eine Anomalie beschreibt eine Abweichung von einer Norm bzw. von etwas, was als Normal erachtet wird. Im Falle der Anomalie des Wassers wird hiermit beschrieben, dass das Verhalten von Wasser von anderen Flüssigkeiten abweicht und eine eigenartige Art besitzt.
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